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直埋压制三通疲劳极限合理性对比分析

作者:压制三通 来源:原创 日期:2017-12-12 4:42:34 人气:16

不锈钢三通是直埋供热管道中常用的分支结构,具有管道改向和改变流量的作用.在供热管道的运行中,不锈钢三通会受到力和变形等多种因素的综合作用,受力极其复杂,同时又由于几何形状不连续,存在着极大的应力集中,极易产生疲劳破坏,是整个供热管网中应力集中程度较高的薄弱环节之一。不锈钢三通常见的破坏形式是低循环疲劳破坏《区域供热手册》中提出采用拍尔姆格林一米纳公式和S-N疲劳寿命曲线来验证不锈钢三通的低循环疲劳强度条件以防止疲劳断裂,根据不同的使用情况及安全等级,在输送干线的循环次数取198次,疲劳断裂安全系数取10次,得出直埋供热管道所用钢材Q235B的疲劳极限为750 MPa.现行《城镇供热直埋热水管道技术规程)(CJJ/T81-2013以下简述为《规程”提出直埋管道在应力验算时采用应力分类法,其应力集中部位的应力变化幅度不大于3倍的钢材许用应力(应力变化范围不大于六倍的钢材许用应力),《规程》规定的Q235B的许用应力为125 MPa,可得出疲劳极限为750 MPa.80年代直埋技术进人我国,DN500及以下的预制保温直埋供热管道已得到大量使用,在约30年的运行过程中,不锈钢三通破坏而引起供热事故的报道并不多见,而且通过对输送干线事故位置的调查发现,由于不锈钢三通破坏而引起供热事故的概率仅占5.55%,远远低于补偿器、阀门、弯头、焊口、折角、排气和泄水。但是在实际工程中,大多数不锈钢三通的当量应力值却远大于750 MPa的疲劳极限.可知,即使不锈钢三通的当量应力值大于750 MPa时也不会产生破坏,由此可见《规程》规定的疲劳极限的合理性就有待进一步验证,这对于管径放大到DN 1200(规程) (CJJ/T81-2013)压制三通的加强方式及其疲劳分析具有重要意义。

    余国强等和贾泽通过模拟压制三通焊制三通在压力载荷、温度载荷和位移载荷下的应力分布规律,得出同等规格的压制三通的当量应力集中程度好于焊制三通.轩福贞等,刘峪良等得出压制三通的最大当量应力主要集中在不锈钢三通腹部内侧,且受转角半径、局部壁厚及支管臂长的影响较大.郭宏等通过对大管径的压制三通披肩加强进行研究,得出披肩加强能有效减小不锈钢三通应力,但是其最大当量应力仍大于疲劳极限。在不同形式的不锈钢三通中,垂直引分支的应力情况好于平行引分支和跨越引分支。本文采用ANSYS有限元分析软件,针对小管径压制三通,采用无限弹性体材料模型.模拟压制三通在受温度载荷、压力载荷和位移载荷时的应力大小及分布规律,并考虑披肩加强对不锈钢三通应力的改善,分析当前普遍使用的疲劳极限的合理性,为供热管网的设计提出更加的经济安全的临界应力值.

1有限元模型的分析

1.1有限元模型

    本文以ASME B16.9-2012为准建立全尺寸压制三通模型,同时为避免约束和外载荷引起的边缘效应(圣维南原理),主管段在两端各增加长度为3倍主管外径的直管段.考虑压制三通挤压工艺对肩部的增厚作用.肩部外曲率半径取支管外径的1/8,内曲率半径取支管外径的1/10,如图1所示。

    压制三通支管采用垂直引分支连接结构,依次连接短管、压制弯头、支管,如图2所示。

    披肩加强能有效改善不锈钢三通腹部的应力集中问题,且随着披肩厚度的增加,不锈钢三通腹部区域应力峰值降低.应力集中区域缩小,本文对不锈钢三通披肩取厚度12mm,其各项尺寸如表2所示。

1.2管道的物性参数

    管道材料为理想的无限弹性体,管道材料的物性参数见表3.

1.3边界条件和载荷条件

    本文只考虑压制三通处于锚固段的情况,对压制三通施加压力载荷、温度载荷及位移约束,模拟压制三通的应力大小,即在压制三通主管端面上施加轴向位移约束,在支管端面施加固定约束,在主管和支管的轴向施加土弹簧约束,其土弹簧单元的综合基床系数由保温层和土壤特性确定。施加的设计温度为130℃,安装温度为10℃,在主管及支管内壁分别施加1.0,1.6,2.5 MPa的压力载荷。

1.4网格独立性考核

    压制三通单元选取八个节点的实体单元sol-id185,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力,能够较好地模拟压制三通在加载过程中的变形;管道与土壤之间的藕合作用通过弹簧-阻尼器单元COMBIN 14来模拟,它具有1维、2维或3维应用中的轴向或扭转的性能,每个节点具有3个自由度,弹簧一阻尼器单元综合基床系数由保温层、膨胀垫块、土壤特性确定。本文对压制三通有限元模型进行自由网格划分,并对不锈钢三通腹部和肩部区域进行加密.为了保证计算效率的同时提高数据的精度,对网格进行独立性考核。

2计算结果与分析

    模拟时使用无限弹性体的材料模型,在计算中,即使不锈钢三通的应力超过屈服应力,也采用单一的线性的弹性应力一应变关系.直埋管道采用的低碳钢Q235B是较好的塑性材料,在进行应力分析时应用第三强度理论,能较好地与实验结果吻合,且由于第三强度理论在实践中应用比较广泛,故本文采用第三强度当量应力值来表示节点的应力大小.

    通过对垂直引分支压制三通的有限元模型进行模拟,发现不锈钢三通的第三强度当量应力主要集中于不锈钢三通肩部与腹部,第三强度最大当量应力值集中在压制三通的腹部内侧。压制三通的应力云图如图4所示。

2.1等径压制三通应力

    通过模拟等径压制三通有限元模型处于锚固状态下的的应力分布规律,根据模拟得出的第三强度最大当量应力值,绘制出应力随管道规格变化的趋势曲线图,如图5所示.

    由图5可知,各种管道规格的等径压制三通第三强度最大当量应力值均已超过《规程》规定的疲劳极限,随着管径的增大,最大当量应力值整体呈增大的趋势,其超过疲劳极限约20%-40%,且随着压力的增大,最大当量应力值也越大。在管径增大到DN500时,应力出现了明显下降,可知增加管径壁厚对于不锈钢三通应力值有一定程度的下降。

2.2异径压制三通应力

    由于不锈钢三通的最大当量应力主要出现在肩部和腹部,而且应力值随着腹部到肩部移动而逐渐减小。对不锈钢三通进行披肩加强,能极大降低不锈钢三通腹部的最大当量应力,改善结构的受力性能。随着披肩厚度的增加,最大应力值减小越大[.].

    通过模拟异径压制三通有限元模型处于锚固状态下的的应力分布规律,根据模拟得出的第三强度最大当量应力值,绘制出应力随支管管径变化的趋势曲线图。其主管为DN500, DN450的异径压制三通的最大当量应力值变化趋势曲线如图6和图7所示。

    由图6和图7可知,在压制三通不进行加强时.各种管道规格的异径压制三通第三强度最大当量应力值均已超过《规程》规定的疲劳极限,在主管不变时,随着支管管径的增大,最大当量应力值呈增大的趋势,其超过疲劳极限约25%-50%,且随着压力的增大,最大当量应力值也越大。

    压制三通进行披肩加强后,最大应力值均有一定程度的减小,甚至使得部分支主管径比较小的不锈钢三通的最大当量应力值小于疲劳极限,但大部分规格的不锈钢三通的最大当量应力值仍大于疲劳极限.同时可以发现,支主管径比越小的不锈钢三通,其披肩加强的效果越好。

    通过模拟异径压制三通有限元模型处于锚固状态下的应力分布规律,根据模拟得出的第三强度最大当量应力值,绘制出应力随主管管径变化的趋势曲线图。其支管为DN300, DN250的异径压制三通的最大当量应力值变化趋势曲线如图8和图9所示。

    由图8和图9可知,在压制三通不进行加强时,各种管道规格的异径压制三通第三强度最大当量应力值均已超过《规程》规定的疲劳极限,在支管不变时,随着主管管径的增大,最大当量应力值呈减小的趋势,其超过疲劳极限约25%-50%,且随着压力的增大,最大当量应力值也越大。

    压制三通进行披肩加强后,最大应力值均有一定程度的减小,甚至使得部分支主管径比较小的不锈钢三通的最大当量应力值小于疲劳极限,但大部分规格的不锈钢三通的最大当量应力值仍大于疲劳极限。同时可以发现,支主管径比越小的不锈钢三通,其披肩加强的效果越好。

2.3低温水时压制三通应力

    针对在高温水时,无论等径压制三通还是异径压制三通的第三强度最大当量应力值均已超过《规程》规定的疲劳极限的情况,对低温水的应力进行模拟,如表4所示,发现在设计温度为90℃压力为1. 6 MPa时,压制三通的第三强度最大当量应力值相比《规程》规定的疲劳极限下降了约5%-10%,相比压力对于不锈钢三通应力的影响,压制三通的应力值受温度的影响较大。

3直埋管道事故情况的调查统计

3.1数据来源

    本次问卷采用填空与选择的方式,通过对管网漏水、补偿器破坏、局部构件失效等所引起的供热直埋管网事故的调查,获得调查对象所导致管网发生事故的频数。在正式调查前,通过咨询相关专家和小规模调查测试,依据调查对象所提出的意见对问卷进行修改完善,最终确定了正式问卷。通过发放调查问卷的方式于20152月至20162月进行了调查。本次调查回收问卷273份,有效问卷215.有效率为78. 75%,其中样本的分布情况为工程人员93.02%,科研人员为6.98%.3.2直埋管道事故位置排序

    215份问卷中,有12个调查对象没有对该项题目进行回答,数据有效率为94.4%.直埋管道事故位置的频数表如表5所示。

    本次问卷调查对象为温度130℃的直埋热水管网系统,其中不锈钢三通为通过披肩加强后的不锈钢三通.由表5可知,在供热管网系统中,补偿器、阀门、弯头、焊口、折角、排气和泄水是导致直埋供热管道破坏的主要因素,占比80. 22 %.而由不锈钢三通破坏所引起直埋管道事故的概率仅占 5.55%,远低于其他构件.

4结论

    1)《规程》规定的不锈钢三通疲劳极限和近30年主管管径不大于DN500不锈钢三通的疲劳破坏情况相差甚远,应重新探究更加合理的疲劳极限值及疲劳分析方法。

    2)等径压制三通和异径压制三通在不进行加强时的最大当量应力值均已超过规范所规定的疲劳极限值,且超出的幅度较大.最大当量应力值受压力的影响较小,但受温度的影响较大,在低温水时能一定程度的降低。

    3)压制三通进行披肩加强时,能够较大程度减小不锈钢三通的最大当量应力,但在高温水时仍大于《规程》规定的疲劳极限值。