內(nèi)壓作用下焊制四通的塑性極限分析

劉張羽1，孫 亮，惠 虎1，陳照和

(1.華東理工大學(xué)，上海 200237；2.中國特種設(shè)備檢測研究中心，北京 100013)

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焊制四通是物料生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)闹匾瑥V泛地應(yīng)用于石油化工、電力及油氣運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域[1]。由于焊制四通幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜及數(shù)學(xué)分析較為困難，至今尚沒有成熟簡易的理論分析方法或工程估算公式。根據(jù)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ分卷第二冊另一規(guī)則[2]及我國壓力容器分析設(shè)計規(guī)范JB 4732[3]的規(guī)定，如果容器的外載小于極限載荷下限值的2/3，則無需滿足一次薄膜應(yīng)力及一次彎曲應(yīng)力的強(qiáng)度條件。焊制四通的塑性極限載荷是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和評價四通極限承載能力的重要參數(shù)。

從“九五”科技攻關(guān)到“十二五”科技攻關(guān)期間，相關(guān)學(xué)者對無缺陷直管、彎管以及三通的塑性極限載荷進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并提出了相應(yīng)的解析解或估算公式。ASME B31G[4]給出了直管塑性極限載荷解析解，韓良浩等[5]對該解析解與有限元數(shù)值解進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)結(jié)果十分吻合。Goodall等[6-7]按照von-Mises屈服準(zhǔn)則推導(dǎo)了無缺陷彎管的塑性極限壓力計算式，并通過試驗對該式進(jìn)行了驗證。軒福貞等[8-9]分別提出了焊制三通的解析式及工程估算式，其中文獻(xiàn)[8]還推導(dǎo)了等壁厚等徑擠壓三通[10]的解析式。然而，壓力管道系統(tǒng)特別是油氣開采及輸送管道中還存在著四通、六通等管道元件，目前國內(nèi)外沒有人給出四通的解析解及工程估算公式。四通的幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，存在局部的幾何形狀不連續(xù)，在主管與支管的相貫線處會形成很大的應(yīng)力集中，即使在正常的工作條件下，該處的應(yīng)力也有可能會達(dá)到屈服應(yīng)力[11]。……