不锈钢异径管与异径弯头的计算方法

作者:异径弯头 来源:原创 日期:2016-8-12 12:58:37 人气:134

摘要:为了对不锈钢异径管的设计、生产提供理论依据和计算方法,对内压力作用下的异径弯头进行了有限元分析研究。建立了异径弯头的力学模型,计算了异径弯头在内压力作用下的应力,讨论了异径弯头的环向、径向和轴向应力的变化特征,确定了异径弯头的危险部位及其应力变化规律;并对异径比对异径弯头危险点的应力集中的影响情况进行了研究,指出异径弯头危险点的应力随异径比的增大而增加;同时探讨了改善异径管应力集中的途径,指出增加异径弯头壁厚是减小应力集中的有效手段。

    不锈钢异径管是石油、石化装置中管道连接的常用配件,用于两种不同管径的连接,可起到改变管径、调节介质流速、改变管道走向或增加管道柔性减缓管道应力等多方面重要作用。

    不锈钢异径管又称为缩径管、大小头等。不锈钢异径管种类繁多,按结构形式可将其大致分为3类:同心不锈钢异径管、偏心不锈钢异径管异径弯头.

    不锈钢异径管工况复杂恶劣,工业生产中常有失效事故的发生,这对石油、石化等行业的正常安全生产带来巨大的影响,从而造成大量的损失。

    对于直管、弯管、二通等管件的研究资料大多是我国“八五”至“十五”重点科技攻关的研究成果。但是,至今我国国家重点科技攻关计划尚未把不锈钢异径管纳入研究内容。目前国内外对不锈钢异径管的分析研究报道还较少「2-6],而工程中的大量失效事故又迫切要求对不锈钢异径管的设计、生产提供理论依据和计算方法。基于此,本文对不锈钢异径管中的异径弯头进行分析研究,找出应力分布规律,确定了危险点,并对不锈钢异径管的优化设计进行了尝试。

1异径弯头结构

    弯管又称为弯头,在实际工程应用中,弯头按照与直管的连接方式有以下几种类型:45°弯头、90°弯头、180°弯头。在国标GB / T12459-2005中又将90°弯头分为短半径弯头、长半径弯头、长半径异径。本文讨论的是90°弯头中的长平径异径弯头,其代号为90E(L)R

2计算模型

    对90E(L)R-50x40 I -Sch40异径弯头进行有限元分析计算,其大、小端外径分别为60.3 mm,48.3 mm,大、小端壁厚分别为3.91 mm, 3.68 mm。由于对称性,现取一半结构作为研究对象,并对其划分有限元网格。本文采用20节点六面体单元,共划分8700个单元,40 754个节点,网格如图2所示。材料为16Mn钢,弹性模量E=200 GPa, Poisson(泊松)比产=0.3。

    由于对称性,在对称面上施加对称约束,在大端直管端面施加x方向约束,在小端直管端面施加y方向约束,在纵向对称面施加:方向约束。本文只考虑内压作用下的异径弯头弹性应力分析,取内压为10 MPa。

3计算结果分析

3.1异径弯头应力分析

    对在10MPa内压作用下异径弯头90E(L)R-50x40 I -Sch40进行了有限元分析计算,其应力分布有如下特点:1)大端小曲率侧内表面存在较大的相当应力,如图3所示:2)异径弯头内表面的环向应力比外表面的环向应力大:3)轴向应力、径向应力比环向应力小,特别是径向应力可以不予考虑,环向应力在应力分析中占主导地位。由应力分布云图可以看出最大相当应力为90.85 MPa,危险点位置为大端小曲率侧内表面。

    由图3可知,在10 MPa公称内压作用下异径弯头90E(L)R-50X40 I -Sch40的危险部位位于内表面,为了更好地了解应力的变化情况,给出了沿内表面AB曲线(见图4)相当应力的变化图,如图5所示。

    经过对常用规格的异径弯头的有限元分析可知:

    1)异径弯头的危险点出现在小曲率半径侧内壁靠近大端端面的部位;

    2)异径弯头内壁的两条路径上的应力曲线总体趋势相同,其中小曲率半径侧路径上的最大应力要比大曲率半径侧的最大应力大;

    3)不锈钢异径管的3个应力分量中,径向应力最小,环向应力最大,如图3中的危险点环向应力、轴向应力、径向应力分别为92.26 MPa. 21.47 MPa、-10.18 MPa。3.2异径比对异径弯头应力的影响

    不锈钢异径管小端和大端直径的比值称为异径比,为了分析异径弯头危险点应力随异径比的变化情况,特对不同异径比的异径弯头进行了分析计算,给出了相当应力随异径比的变化曲线,如图6所示。图中分别给出了异径弯头大端公称直径分别为50 mm. 100 mm, 150 mm. 200 mm时,异径弯头危险点的相当应力随异径比的变化曲线。

    从图6可以看出:异径比越大,异径弯头危险点处的应力越大。实际上,异径比越大,不锈钢异径管的形状变化越剧烈,应力集中越严重,危险点处的应力增加是很正常的情况。其次,相同异径比的情况下,异径弯头危险点处的应力与异径弯头大端公称直径没有直接联系;如图6所示,相同异径比的情况下,大端公称直径50 mm的异径弯头的最大应力最大,其次是150 mm,200 mm和100 mm。

4异径弯头结构改进的探讨

    在国家标准GB 12459-2005中,对异径弯头的长度以及大小端的直径都有明确的尺寸要求。因此,要想在结构上改善异径弯头的应力集中现象,只能从不锈钢异径管的壁厚上着手。这里以90E(L)R-50x40 I -Sch40模型为例,将其壁厚分别增加2 mm, 4 mm. 6 mm, 8 mm, 10 mm.12 mm, 14 mm. 16 mm,并利用有限元分析软件计算出其最大应力值,比较分析增加壁厚对异径弯头应力的影响。

    针对危险点的相当应力,由图7的曲线可以得知:增加壁厚对异径弯头应力分布的影响十分明显。壁厚增加量在0 mm至8 mm范围内变化时,其相当应力最大值随壁厚的增加有明显减小趋势。但当壁厚增加量大于8 mm时,其相当应力最大值随壁厚的增加变化趋于平缓。因此适当增加壁厚能有效地改善应力在大端小曲率侧内表面的应力集中现象,使其最人应力有显著地减小。但从另一面看,异径弯头的制造有一定难度,若仅从减小了危险点应力值单方面来考虑增加其壁厚并不一定合理,还应该考虑其制造成本、工艺要求和安装环境等多方面的因素。

5结论

    1)异径弯头最大相当应力出现在大端小曲率侧内表面。异径弯头内表面的应力比外表面的应力大,轴向应力、径向应力比环向应力小.特别是径向应力与环向应力相比较,可以不予考虑,环向应力在应力分析中占土导地位。

    2)在同样壁厚等级和相同的公称压力下,当异径比增大时,环向应力和相当应力的极值也相应增加。

    3)适当增加异径弯头的厚度能减小危险点的应力集中程度:对于90E(L)R-50x40 I -Sch40异径弯头,壁厚增加量在0mm-8mm范围内变化时,其相当应力最大值随壁厚的增加有明显减小的趋势;但是,当壁厚增加量大于8mm时,其相当应力最大值随壁厚的增加变化趋于平缓