橢圓度對(duì)直埋供熱彎頭應(yīng)力的影響

王 飛，杜保存，王國(guó)偉

（太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

彎頭是供熱直埋管道中的重要部件，也是管線中的薄弱環(huán)節(jié)。近年來，許多學(xué)者對(duì)主要承受內(nèi)壓力作用的彎管進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，得出了隨著橢圓度的增加，彎頭危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力值迅速增加［1－4］。所以為保證管道的安全性，應(yīng)嚴(yán)格控制彎管的橢圓度。相關(guān)規(guī)范均對(duì)彎頭橢圓度作了規(guī)定［5－6］，而且允許橢圓度值越來越小，但是嚴(yán)格控制直埋供熱彎頭橢圓度的必要性有待論證。一方面供熱直埋彎頭承受的壓力低（不大于2.5MPa），循環(huán)溫差作用是造成供熱管道破壞的主要因素。另一方面，薄壁彎管在加工過程中，截面橢圓化是很難控制的。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)薄壁管推彎中產(chǎn)生的壁厚不均勻和截面橢圓化的研究較少，普通的彎管方法與普通拉彎式彎管機(jī)均無(wú)法滿足要求［7］。

為此，筆者利用ANSYS軟件，分析了橢圓度從1%～20%的DN1200、DN1000、DN800的供熱直埋彎頭，在綜合各種荷載作用下彎頭應(yīng)力的變化規(guī)律。

1 橢圓度

管道在彎制過程中，橫截面產(chǎn)生一定的橢圓度。橢圓度為彎管外壁長(zhǎng)軸長(zhǎng)度Domax與彎管外壁短軸長(zhǎng)度Domin之差，除以彎管圓形截面時(shí)的外直徑Do所得值的百分比［8］：

式中：u為橢圓度；Domax為彎管外壁長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，m；Domin為彎管外壁短軸長(zhǎng)度，m；Do為彎管圓形截面時(shí)的外直徑，m。

2 有限元模型的建立

彎頭的有限元模型中，施加的荷載主要包括溫度荷載、壓力荷載以及位移荷載和土壤荷載。土壤荷載體現(xiàn)在土壤與管道的耦合作用上，通過調(diào)整彈簧的彈性系數(shù)來模擬土壤對(duì)管道的作用反力。彎頭的有限元模型見圖1所示。

圖1 曲率半徑為1.5DN、90°彎頭的有限元模型

2.1 管道材料特性及尺寸參數(shù)

表1 管道材料特性（鋼號(hào)Q235）

表2 彎頭尺寸參數(shù)

表3 綜合基床系數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

有限元模型的建立需要選用合適的單元，本研究的彎頭和彎臂均采用20節(jié)點(diǎn)的SOLID95實(shí)體單元，彈簧采用彈簧－阻尼器單元COMBIN14，對(duì)彎頭和兩臂全部采用自由劃分后形成的網(wǎng)格方式。

3 模型施加溫度荷載、壓力荷載以及位移荷載

設(shè)計(jì)溫度為130℃，環(huán)境溫度為10℃，彎管內(nèi)表面施加1.6MPa的壓力荷載，彎頭兩臂施加100 mm位移荷載。使用命令Solution＞Solve＞Current LS求解后，第四強(qiáng)度理論下彎管的應(yīng)力分布見圖2和圖3所示。

圖2 DN800彎頭橢圓度1%第四當(dāng)量應(yīng)力分布圖

4 荷載施加后彎頭中性線處第四強(qiáng)度理論有限元值

圖4為不同橢圓度下的3種彎頭在溫度荷載、壓力荷載以及位移荷載作用下中性線處第四當(dāng)量應(yīng)力有限元值。

圖3 DN800彎頭橢圓度20%第四當(dāng)量應(yīng)力分布圖

5 模擬結(jié)果分析

1）由圖2和圖3看出，對(duì)供熱直埋彎頭施加溫度荷載、壓力荷載以及位移荷載后，彎頭中性線處應(yīng)力值最大。這一結(jié)果與只受內(nèi)壓力作用的不同；只受內(nèi)壓力作用時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)拱處。當(dāng)橢圓度很大，等于20%時(shí)，最大應(yīng)力從中性線處向內(nèi)拱處偏移，但是仍靠近中線。

圖4 壓力1.6MPa曲率半徑1.5DN下彎頭中性線處第四強(qiáng)度理論有限元值

2）從圖4可以得出，對(duì)供熱直埋彎管施加溫度荷載、壓力荷載以及位移荷載后，彎頭中性線處應(yīng)力值隨著橢圓度的增大先減小后增大。每種彎頭都存在一個(gè)應(yīng)力最小值對(duì)應(yīng)的橢圓度。DN1200的供熱直埋彎頭，橢圓度為5%時(shí)，其第四當(dāng)量應(yīng)力值最小，為126MPa，比理想彎頭應(yīng)力值減小47.5%；橢圓度增大到為16%時(shí)，應(yīng)力值才與理想彎頭相等。同樣，DN800的供熱直埋彎頭，橢圓度為8%時(shí)，應(yīng)力最小，為414MPa，比理想彎頭減小為15.9%；橢圓度為17%時(shí)，應(yīng)力值才達(dá)到理想彎頭的數(shù)值。

6 結(jié)論

當(dāng)只有內(nèi)壓荷載的時(shí)候，控制彎管的橢圓度可有效地降低彎管的應(yīng)力值。但是，對(duì)直埋供熱彎頭來講，溫度荷載是主要荷載，同時(shí)還受內(nèi)壓、土壤反力以及位移荷載作用，因此嚴(yán)格控制橢圓度既浪費(fèi) 了投資，也增大了彎管的應(yīng)力，是沒有意義的。

［1］ 師俊平，劉協(xié)會(huì)，宋莉.橢圓載面管受內(nèi)壓作用的環(huán)向應(yīng)力分析［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào).1995，11（1）：72-76.

［2］ 師俊平.鍋爐管道在內(nèi)壓及溫度作用下的應(yīng)力分析［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1993，19（4）：95-99.

［3］ 徐方成，蔣家羚，林興華.內(nèi)壓作用下彎管應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，39（5）：617-621.

［4］ 萬(wàn)先平，蔣誠(chéng)航，金志江.內(nèi)壓作用下橢圓管道應(yīng)力及極限載荷數(shù)值分析［J］.化工機(jī)械，2010.37（3）：331-334.

［5］ 中華人民共和國(guó)化學(xué)工業(yè)部.GB 50235－97工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1998.

［6］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJ／T155－2001硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管件［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［7］ 張俊，方友忠，楊軍.頂鐓彎和側(cè)助推彎管理論與實(shí)踐［J］.東方電氣評(píng)論.2010.24（24）：6-10.

［8］ 王致祥.管道應(yīng)力分析與計(jì)算［M］.北京：水利電力出版社.1983：85-83.

［9］ 王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［10］ 王國(guó)偉.大口徑直埋供熱管道90°彎頭疲勞壽命的有限元分析［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.