管件三通塑性极限载荷估算式研究进展.pdf
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1、第 4 5卷第 1 期 2 0 0 8年 2月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T&P I P I N G Vo 1 45 No 1 Fe b 2 008 管件三通塑性极限载荷估算式研究进展 贾慧灵 任学平 孙 亮 杜鹏 飞 ( 1 内蒙古科技大学,内蒙古0 1 4 0 1 0; 2 国家质量监督检验检疫总局特种设备检测 研究中心, 北京1 0 0 0 1 3 ; 3 内蒙古包头市交通运输管理处,内蒙古0 1 4 0 1 0 ) 摘要: 三通几何结构和受载较复杂, 是管系中的薄弱环节, 准确预测三通的塑性极限载荷 , 成为管道完整性评估 的关键技术。综
2、述 了国内外三通塑性极限载荷的研 究现状 , 对今后 三通塑性极 限载荷的研 究和安全评 定标 准的制 定具有一定的指导意义 。 关键词:三通; 塑性极限载荷; 估算式 中图分类号 : T Q 0 5 5 8 文献标识码 :A 文章编号 :1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 0 8 ) O 1 - 0 0 1 0 - 0 5 Re s e a r c h Pr o g r e s s o f Es t i m a t i ng Equ a t i o n f o r Pl a s t i c Li mi t Lo a d o f Pi pe Br a n c h J i a Hu i
3、l i n g Re n Xu e p i n g S u n Li a n g Du P e n g f e i ( , I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , I n ner Mo n g o l i a U n i v e r s i t y of S c i e n c e s a n d T e c h n o l o g y , Inner Mo n g o l i a 0 1 4 0 3 2 ; 2 C e n t e r of S p e c i a l E q u ip m e n t
4、I nsp e c t i o n a n d R e s e a r c h S t a t e G e ner a l A d m i n i s t r a t i o n of Q u a l i t y S u p e r v i s i o n , I nsp e c t i o n a nd Q uar a n t i ne , B e ij i n g 1 0 0 0 1 3; 3 B a o t o u T r a f fic a nd T r a ns p o r t a t i o n Ma n a g e m e n t B u r e a u , I n ner Mo
5、 n g o l i a 0 1 4 0 3 2 ) Abs t r a c t I n v i e w o f c omp l i c a t e d g e o me t ric a l s t r uc t u r e a n d l o a di n g,pi pe br a nc h i s a we a k pa r t i n p i pi ng s y s t e mI t i s e s s e n t i a l f o r p i p e i n t e g r i t y a s s e s s me n t t o p r e d i c t c o r r e c
6、t l y t h e p l a s t i c l i mi t l o a d o f p i p e b r a n c h T h e c u rre n t r e s e a r c h s i t u a t i o n o f p l a s t i c l i mi t l o a d o f p i pe b r a n c h a t ho me a nd a b r o a d wa s s umma riz e d i n t h i s p a p e r,wh i ch c a n b e r e f e r e n c e d i n f urthe r r
7、e s e a r c h o f pl a s t i c l i mi t l o a d o f p i pe b r a n c h a nd e s t a b l i s h i n g o f s a f e t y a s s e s s me nt s t a n da r d Ke ywo r ds p i pe b r a n c h;pl a s t i c l i mi t l o a d;e s t i ma t i n g e q ua t i o n 目前我国在用管道总长度达 6 31 0 k m, 并且 这个长度还在增加。三通是管道改向和物料分流的 重要构件
8、, 因其几何结构和所受外载的复杂性 , 往往 成为管系中应力集 中较高的危 险部位 , 三通能否正 常运行 , 决定了管系整体的安全性和稳定性。 压力管道的失效模式有三种 , 即脆性断裂失效 、 弹塑性断裂失效和塑性极限载荷失效。除因温度变 化引起管道发生蠕变 、 管材性能退化外 , 压力管道很 少发生脆性断裂。少数受反复加 、 卸载交变载荷作 用的管道, 当外载荷大于安定载荷时 , 便开始进入缓 慢 的塑性变形积累过程 , 最终导致管道发生弹塑性 断裂失效。通常三通母材韧性较好 , 只有 当外载荷 大于极限载荷时 , 结构变成几何可变机构 , 才会失去 继续承载的能力 , 潜在的失效模式为塑
9、性极 限载荷 失效 , 其失效评定准则是控制外载荷不超过三通 的 塑性极限载荷 , 显然准确地预测管件三通塑性极 限 载荷 , 成为管道整体失效评定的关键技术和主要 内 容。为此 , 国家科技部在“ 十五” 重大科技攻关项 目 “ 重大工业事故 与大城市 火灾 防范及应 急技术研 究” 中, 将城市埋地燃气管道 及工业 特殊 承压设备 安全保障关键技术研究列为主要的研究 内容之一 。 本文回顾 了近年来 国内外三通塑性极限载荷估 算式的研究进展 , 为下一步建立三通塑性失效评定 方式 , 提供了理论依据 。 1 无缺 陷三通 的塑性极 限载荷 在役管线上的三通受到管 内输送介质的内压作 用 ,
10、 同时由于管道 附件 、 安装偏差 、 温度等 因素的影 收稿 日期 : 2 0 0 7 - 0 9 1 3 基金项目: 国家“ 十五” 重点科技攻关课题“ 城市埋地燃气管道及工 业 特 殊 承 压 设 备 安 全 保 障 关 键 技 术 研 究 ” ( 2 0 0 1 B A 8 0 3 B 0 3 -05 ) ; 内 蒙古 科 技 大 学 青 年 基 金 项 目 I ( 1 2 0 0 6 4 7。 作者简 介: 贾慧灵 ( 1 9 7 6 一 ) ,女 , 讲师 。从 事过程设备及 管道 的受 力分析及可靠性研究。 维普资讯 http:/ 贾慧灵等 管件 三通 塑性 极限载荷 估算式研
11、究进展 响, 三通还会受到弯矩 、 扭矩 、 轴力等多种外载荷的 作用。目前 , 对无缺陷三通的研究 主要集 中于内压 、 弯矩及内压弯矩联合载荷作用三种工况。 1 1 内压载荷 内压是管道系统的工作载荷 , 也是三通结构设 计时考虑的主要载荷形式 。 早在上世纪 6 0年代末 , C l o u d和 R o d a b a u g h j 就应用双弯矩弱作用屈服平 面法 , 在不考虑焊缝加 强作用 , 并假设 主支管材料相同的前提下 , 得到三通 塑性 极 限压力 上 限解 : = 1 0 8 A 2 2 8 D 2 2 8 1 5 2 5 ( 1 ) 。 。 +I ( d ) + 1 A
12、 + 式 中, P =P D ( 2 o - f T ) , A:d D D 7 1 , 当 t T 1 0 0时, A=1 6 2 , B=2 1 0 ; 当 t T1 0 0时 , A= 5 4, B= 3 1 8 。式 ( 1 ) 仅限 于管径比 d D小于 0 5的 平齐式容器接管 , 并不适用于大开孔 ( d D 0 5 ) 的 三通结构 。 吉尔总结了 1 9 7 5年以前容器接管 的极 限载荷 分析工作 , 给出了B l a i r 由试验结果拟和得到的焊 制三通极限压力的经验公式 P = 1 0 3 d D, 该式 仅限用于等强度焊制三通, 没有考虑焊缝 的加强作 用, 分析结
13、果 比较保守。并且表达式 中仅包含一个 d D参量 , 没有反映出 D T和 t T对极 限压力 的影 响 。 根据焊制 三通塑性破坏特点 , 同时参考 国内外 容器接管设计标准 , X u a n等 分别提出了 3种基于 压力面积概念 、 等面积补强观点 和板壳理论 的塑性 极限压力工程估算式。分析结果表明 , 后两者方法 得到的估算式是可用的, 其 中, 基 于板壳分析得到的 公式( 2 ) 与试验结果最符合 。 内压下的极限载荷解 : P J - ( 2 ) = ( 2 ) 式中, : =1 , o 2 5 0 5 h + h + 0 7 9 h ; 为焊制三 通极 限压力的影响因子 ,
14、 h = 1 +( 0 1 4 5 M + 0 , 3 1 8 5 A 2 f z ) 1 一 C ( A B) , h 2 = 0 1 7 5 k A 日 1 c ( A B) , 七 = 1 1 + C 3 1 + 詈 ( 1 一 ) , A =d D, B =DT, C =t T。 文献 4 用弹塑性有 限元方法分析 了三通几何 尺寸对极限载荷 的影响 , 将 主要影响因素简化为 K 和 P【 (j , 通过对几何尺寸在 6 3个 K =1 0 31 5 , P l d = 1 01 5范围内的有限元算例进行 分析 , 得到无 量纲化塑性极限内压计算式 : P L T=0 2 1 1 8
15、 K 1P +0 4 5 1 2 ( 3 ) 式中K 支主管径 比; P t a 一强度因子 P 1 2 1 1 。 将有限元数值解分别与公式 ( 2 ) 、 ( 3 ) 的估算值 进行 比较 , 发现式 ( 3 ) 的值 较式 ( 2) 的结果平均大 3 0 , 偏大的原因在 于 X u a n采用 5倍的弹性斜率准 则确定三通 的塑性极 限载荷 , 而文献 4 中取塑性 垮塌压力为三通的塑性极 限载荷 , 这一误差取决 于 研究人员对塑性极 限载荷定义 的理解 , 所以两种分 析方法及其所得结论都是可取的。 1 2 面内弯矩载荷 面内弯矩是指在支管与主管轴线确定的纵向平 面内, 通过支管
16、、 主管对三通施加的弯矩 。 上世纪八十年代初 , B i l l i n g t o n _ 5 在面 内弯矩实 验的基础上 , 给出 T形管接头在面 内弯矩下 的极限 载荷估算式 L L = 6 1 ( ) , 该公式可供研究 三通塑性极限面内弯矩时参考。 A S M E规范第 篇 N B 一 3 6 0 0规定核设备级管道 三通在弯矩下 的应力可 由 r ,= 计算 , 式 中 为 外 加 弯 矩 , B : b = 0 9 4 5 ( ) 手 ( 告 ) t ddd _ j 一 次应力指数。令 o-=o- , 用三通支管端的面 内弯 矩 代替应力计算式 中的弯矩 , 同时利用直管极 限
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