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    內壓下焊制管道三通塑性極限

    2019-05-07   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港辦公室獲悉:在性能優異的涂層中選擇熔結環氧粉末涂層與三層結構可有一比較,無論性能和價格,雙層熔結環氧粉末涂層看來是最優的。可優選為“西氣東輸”工程的外防腐層。據報道,“西氣東輸”將建管道4認為除山地多石地帶,在高原和華東地區完全可以采用雙層環氧粉末外防腐涂層,市場份額在30%以上。按此市場份額計算則有1250km的市場,按01118mm計算,可實現產值2.634億元,毛利1.229億元;比三層結構外防腐涂層節省1.317億j元。
      
      雙層三層結構涂敷工藝控制性涂敷工藝簡易性與陰極保護相容性抗陰極剃離性能抗水滲透性能耐高溫性能抗物理損傷性能現場補口性能閥門和接頭涂敷性能低溫柔韌性能表3項目材料費防腐層設備和工藝適用范圍雙層粉末噴涂機,工藝簡單直管,彎管,接頭三層結構噴涂機2臺擠出機,工藝復雜直管
      
      在物料輸送和工業生產中起著不可替代的作用,其失效破壞往往會導致整個生產系統的癱瘓,給人民生命財產造成不可估量的損失,因而其強度設計和安全使用是工程師們非常關心的問題。由于幾何結構不連續,三通主、支管相貫區的應力分布復雜,難以按照常規的應力分析方法進行設計。ASME鍋爐壓力容器規范核容器分卷第* -4176款及我國的鋼制壓力容器分析設計規范都規定,如果能夠證明外載荷不超過其極限載荷下限值的23,則局部膜應力以及一次膜應力加上一次彎曲應力的強度條件不需要滿足。可見管道三通的極限承載能力是工程中重要的設計參數,具有極大實用價值。求取三通極限載荷的解析題,需要進行三維彈塑性分析并考慮多個幾何尺寸的影響,在現有條件下還非常困難。現代計算機的發展和有限元方法的完善,使得人們獲得三通管件極限載荷的數值解成為可能。
      
      中國鋼管信息港辦公室獲悉:針對焊制三通的強度問題開展了研究,我國八十年代初期也進行了該問題的探討,并取得了大量的成果。但由于各種條件的限制,研究內容主要局限于彈性應力范圍內的應力應變測試和有效數值計算方法的探討。很少涉及到極限載荷分析,也沒有給出滿足工程應用的理論分析解。最近Plancq等人對管徑比為0.5的三通進行了極限壓力的有限元分析,給出了一些有益的結論。
      
      對內壓下管徑比!0.5的焊制管道三通極限載荷進行了系統的分析,研究了相貫區應力分布規律以及隨著內壓的升高三通塑性區的擴展情況,并根據載何-變形曲線確定了塑性極限載荷,本文結果可為焊制三通的設計提供一些基礎性的數據。事實證明,有限元法是一種行之有效的極限載荷分析方法,它比實驗方法經濟,且能滿足工程上的精度要求。
      
       2.1模型及材料2計算軟件及方法有限元程序采用大型通用ANSYS軟件,為了得到良好的收斂解,計算過程中采用了小變形假設。非線性計算米用修正的Newton-Rapson方法,其特點是具有二階收斂性,對小撓度和小應變非線性問題可以提供更加穩定的分析結果。對于判斷非線性迭代近似解可接受程度的收斂準則,本文采用力和位移判據,取最大殘余力與最大反作用力之比<0.01,可以充分滿足計算精度要求。
      
      用增量非線性有限元分析結構的極限載荷,要以增量的形式施加外載荷。由于在非線性問題的整個加載歷程中非線性程度的不均勻性,如采用固定的等步長加載方式,加載步長過小時會增大計算的工作量,當加載步長太大則會造成一些增量步內非線性程度過高,出現收斂困難,甚至發散。鑒于此,本文采用弧長控制的自適應加載的Chriesfield方法。
      
      2.3單元及網格劃分考慮到幾何形狀及內壓載荷的對稱性,取三通管件的14作為計算模型進行分析。單元類型采用了20節點等參單元(Solid95,它是節點數可變的曲面塊單元,能夠較好地描述三通復雜的幾何性狀,具有適應單元疏密過渡的能力。根據應力梯度大小確定網格疏密程度,在主支管相貫區采用加密網格,而在過渡區較遠的端部則采用單層網格,以減少計算時間。單元網格劃分見。
      
      4載荷及邊界條件對于有限元模型的約束條件,根據結構對稱性,在縱向平面(xoy和橫向平面(yoz內的對稱面上約束其法線方向的位移。此外,在三通主管端面上固定其徑向平面內的y和z方向的位移,而對于軸向x向的位移不加約束,這種約束方式不影響主管端部軸向載荷的作用效果。為了避免外部約束導致的邊緣效應的影響,在主管上增加一長度大于2.5的直管段。
      
      內壓載荷均勻施加于模型的內表面。同時,為了模擬三通主、支管端部封閉的情況,把軸向壓力載荷折算為作用在主、支管端面上的均布拉力,見。
      
      計算結果及討論3.1極限載荷極限分析中,經典的極限載荷定義是一個數學上的、理想化了的概念。在極限狀態下,結構承受的載荷沒有任何增量而結構的變形卻無限增加。這一定義的前提條件是假設結構由理想塑性材料制成,且僅考慮了小變形情況。而事實上,由于材料的應變硬化效應和結構的幾何強化及弱化效應,理想狀態很少發生,因此工程上一般認為結構發生顯著的整體塑性變形時對應的載荷,就為實際結構的塑性極限載荷。
      
      我國分析設計標準和ASME規范都規定,確定結構極限載荷點的變形或者應變,應該能夠反映結構的承載能力。有限元計算結果表明,極限壓力下三通腹部相貫線交點A處的徑向位移、縱向平面內的拐角處B點的等效塑性應變以及三通支管端部C點L軸向位移均I發生t了1較為顯著的改(變W能夠反映三通的承載狀態。本文利用ANSYS后處理程序,得到了上述各關鍵點處的位移*或應變,并繪制了相應的載荷-位移(應變曲線。從理論上說,由于本文有限元分析采用了理想彈塑性材料和小變形假設,因而三通可以承受的最大壓力即為極限載荷。這里從工程角度出發,采用我國分析設計標準和ASME規范推薦的兩倍彈性斜率準則確定極限載荷值,計算結果表明在本文分析中兩種方法得到的結果相差不大。
      
      為方便表達,工程上一般采用了與三通主管同直徑直管的理論極限解來對三通的極限壓力進行歸一化處理。直管極限載荷理論解可由下式得到:表1有限元計算模型尺寸及計算結果試件號比值注:表中有限元數值解為采用兩倍彈性斜率法得到的結果,直管理論解由公(!0.5的三通管件,其極限壓力與相應的直管理論解相比都受到了不同程度的減弱,三通各結構尺寸*對極限壓力有一定的影響,二者并沒有明顯的函數關系。
      
      和5分別為本文得到的等強度焊制三通(*極限壓力隨尺寸參數(和(的變化關系。可以看出:①結構參數(對三通極限壓力的影響比管徑比(顯著,隨著徑厚比(的增大,三通極限壓力顯著下降,而管徑比(的增加,三通極限壓力變化不大,這與通常認為徑比(是影響三通強度的最大因素觀點不一致。②在本文研究范圍內(!0. 5,隨著(的增加,三通極限壓力有一個增大的趨勢(如中,曲線(=1.0>曲線(=0.83>曲線(=0.65,并且三通主管壁厚越薄,這種趨勢越明顯,這與工程認為等徑三通與直管相比削弱程度最大的觀點不一致。③計算結果表明主、支管的厚度比*對三通極限壓力有較大的影響,其他條件一定時,增大支管厚度能明顯提高三通的極限承載能力,如表1中的T22和T24,T32和T34.這與我國水管鍋爐受壓元件強度設計標準中推薦優先采用支管壁厚加強的三通設計思想吻合。
      
      3.2計算結果的試驗驗證1994-201圖和!1極限壓力隨厚比的變化關系如此此WishingHouse.A圖igh極限壓力隨管徑瓶的變化關系iki.netbookmark1衡量有限元結果準確性最直接、最可靠的方法就是模型試驗。這里直接引用了上海成套設備研究所已有的焊制三通試驗結果來驗證本文有限元方法的可靠性。整體屈服試驗模型為等徑焊制三通,材料8(德國標準DIN17175無縫鋼管,采用手工氬弧焊接。為消除焊縫的加強作用,相貫線處的焊縫依樣板磨至與支、主管表面平齊。考慮到邊緣應力對三通強度的影響,在主、支管的端部分別焊接長表2三通試樣的化學成分和機械性能碳錳娃硫磷彈性模量屈服強度破壞強度延伸率截面收縮率475mm的直管段。模型材料的機械性能和化學成分見表2, 整體屈服試驗介質為水,試驗過程中采用手泵緩慢分步加壓至三通爆破,同時紀錄進液的體積增量和壓力值,得到了相應的壓力-體積增量關系曲線。在壓力與進液量關系曲線上采用兩倍彈性斜率法便得到三通的整體屈服壓力。表3為上述試驗結果與本文采用小變形三維有限元方法得到的數值表3三通試驗結果與有限元結果的比較試件號D(mm試驗值(MPa有限元解(MPa誤差%注:三通塑性極限壓力試驗值為作者根據文的2采用兩倍彈性斜率法得到。
      
      解,二者誤差不到10%,可見本文的有限元分析方法能夠得到與實驗模型較為一致的結果。
      
      3.3單元類型對計算結果的影響為研究不同單元類型對有限元分析結果的影響,本文選用了三維8節點參元(Solid45和20節點參元(Solid95對表3中的試件A進行了分析。由計算結果可以看出,采用8節點等參元得到的結果為12.3MP-,而采用20節點等參元得到的計算結果為12.1MPa,與實驗結果相比(表3二者相差不大,只是20節點得到的結果更穩定、可靠,在塑性階段更能反映全面屈服的現象,因而本文以下都采用了20節點等參元進行計算。中國鋼管信息港辦公室獲悉
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