不銹鋼彎頭不僅能改變不銹鋼管線的方向,還可以提高管路柔性,緩解管道振動和約束力,并對熱膨脹起補償作用,因此不銹鋼彎頭是受壓管道中很重要的部件。管線的最人應力一般發生在彎頭處,所以彎頭是管線的薄弱環節。目前對彎頭的受力分析大都近似將其看成是受內壓的壓力容器來考慮,并且不考慮其壁厚的變化,但是不銹鋼彎頭壁厚的不等厚性是客觀存在的,它必將改變彎頭應力的分布。本文通過有限元分析的方法研究壁厚改變對彎頭應力分布的影響。


一、成形工藝對不銹鋼彎頭壁厚減薄量的影響

   

 不銹鋼彎頭的加工工藝根據彎曲時是否加熱分為熱推和冷彎兩種。熱推法是將切割完的管坯裝入芯模,用專用推制機進行連續加熱、擴徑,最后彎曲成形。冷彎成形時,管子的一半臥于彎管機的槽內,另一半被帶槽的小滾輪壓住,管子受推力使盤狀彎模從動旋轉而將管子推制成形。 

    

 對于化工管道中的不銹鋼彎頭,一般允許的彎頭減薄量要求控制在巧%以內。從上面兩表可以看出,熱推工藝加工的彎頭基本可以保證合格,而冷彎的彎頭壁厚改變量則較不穩定。熱加工工藝的壁厚減薄員明顯低于冷加工工藝。

   

  就熱推的彎頭來講,41點也就是熱推的末端內彎處的增厚星是最大的,這是由熱推的工藝決定的。熱加工工藝彎頭壁厚改變規律是:從21點至41點壁厚逐漸增厚,且同一截面內彎處的壁厚改變量大于外拱處的壁厚改變最。對于冷彎的不銹鋼彎頭,它的壁厚最大處發生在1點,即45°內彎處,而兩端的壁厚值近似對稱分布,這也是符合冷彎成型規律的。它在同一截面處同樣是內彎處的壁厚增加最大于外拱處的減薄量。


二、不銹鋼彎頭應力的有限元分析

    

  按不銹鋼彎頭最大減薄星分別為5%,15%,25%,30%建立模型,與均勻壁厚模型的應力分布情況進行比較,考慮彎頭減薄對彎頭受力的影響。


  1. 有限元模型的建立

    

  不銹鋼彎頭模型采取一端加直段封頭另一端加約束的模式,管材選用優質碳素結構鋼(20#鋼),管件內壓載荷取4 MPa,只考慮彎頭在內壓作用下的應力狀況。由不銹鋼彎頭結構本身的對稱性和所受載荷的對稱性,選取通過彎管軸線和內外拱線的縱向截面的1/2結構為計算模型,選用solid45單元進行計算。共建立8個模型,如表所示。


  2. 網格劃分

  

  通常在應力比較大或應力變化比較大的區域,有限元網格應比較密。通過分析可知,不銹鋼彎頭內彎側應力比較大,而直管與封頭連接處由于形狀不連續,所以這兩處網格劃分較密。本文采用ANSYS程序進行有限元計算,網格劃分如圖所示。


 3. 模型的邊界條件和載荷

   

  由于只考慮內壓載荷的作用,根據結構及載荷的對稱性,在彎頭對稱面處加以對稱的位移約束,而在管子右端施加一個等效壓力載荷。此拉應力相當于在內壓作用下封頭對連接管產生的軸向平均拉應力。


 4. 計算結果及分析

    

   本文采用Tresca當T,Y應力來表示不銹鋼彎頭的應力分布狀況。當最應力的最大值一般位于物體的表面,所以本文只給出彎頭內表面應力分布結果。

    

   由于均勻壁厚的不銹鋼彎頭應力分布規律是一致的,所以本文只給出5#管的應力分布圖,如圖3所示??梢钥闯?,均勻壁厚彎頭的最大應力點發生在內彎處,應力數值由內弧側到外弧側逐漸減小,且沿彎曲半徑方向變化不大。

  

  對于不等厚彎頭,外拱處的減薄員對其應力分布的影響是很明顯的,圖分別示意了外拱減薄量為5%,15%,25%,30%情況下彎頭的應力分布。不等厚彎頭的橫截面是橢圓形截而,由圖4-7可以看出不等厚彎頭橫截而上彎頭弧段各角度橫截面上的應力分布是不同的。隨著壁厚減薄量的不斷增加,最大應力位置由內彎處逐漸向外拱處轉移。


三、結論

    

   1. 實際不銹鋼彎頭的減薄規律符合工藝性能。


   2. 熱推不銹鋼彎頭減薄情況好于冷彎彎頭。

 

   3. 等厚彎頭的最大應力點在內弧45°截面處,且應力分布符合內弧側到外弧側逐漸減小的規律。


   4. 不等厚彎頭隨著壁厚減薄員的增加,最大應力點向外弧處轉移。這也說明了實際生產中,彎頭的破壞有時會發生在外弧側的原因。


   5. 通過上面的模型分析,可以看出在不銹鋼彎頭減薄最小于15%時,應力最大值依然是在內彎處,這也可以驗證化工設備中要求彎頭減薄最小于15%是合理的。