压力管道的弯管与直管连接结构应力分析
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摘 要：弯管是压力管道中重要的元件之一，通常处于管路改向处，往往成为管系中高应力部位，其承受的载荷非常复杂，且刚度低于与之相连的直管，容易以变形形式吸收热胀冷缩的力和力矩。除此之外，由于管系自重、装配过程中产生的偏差以及支撑管系的地基沉降不均等原因，都可能使管道承受弯矩、扭矩、轴向力等外载作用。弯管与直管的连接大多采用焊接方式，焊接过程易会产生裂纹、未焊透、未熔合、气孔及夹渣等超标缺陷，造成安全隐患，弯管与直管连接面是压力管道监督检验、定期检验重要关注的部位，因此了解连截面的受力状况及应力分布情况和特点对压力管道安全评价具有重要意义。本文以有限元数值模拟分析研究在内压作用下，弯管与直管连接面的应力大小、分布特点以及应力的影响因素，为连接面的安全性评定提供依据。
关键词：压力管道；弯管；直管连接结构；应力
1 有限元模型
本文应用有限元分析软件（ANSYS），建立弯管与直管连接结构的三维有限元模型。通过取足够长的直管长度（L=5D）以达到减少模型边界无关因素对分析区域的影响的目的。分析区域（弯管及与直管连接结构边缘区域）采用SOLID186单元，其它区域（直管段）采用SOLID185单元；连接处及其边缘区域划分更为细小的网格，以期提高计算精度和计算效率。
以纵向中心面为对称面，建立弯管与直管连接结构的1/2模型，在模型对称面施加周向载荷，模型内表面施加均布的内压载荷，用于结构的受载情况分析。为验证该有限元模型的分析精度，将模型分析计算结果与ASMEⅢNB-3865中的弯管应力公式计算结果进行比较。考虑到ASMEⅢNB-3865的计算公式仅适用几何因子λ>0.2的弯管，验证模型的弯管弯曲半径取1.5、径厚比取10（λ=0.3145）。
将验证模型中弯管的局部截面应力和ASMEⅢNB- 3865计算公式的结果进行比较。可以看出在内压载荷作用下，有限元模型的周向应力和轴向应力与计算公式计算结果基本吻合，具有一定的准确性和分析意义。
2 内压载荷作用下结构应力分布
内压是压力管道最主要的受载形式。本文以弯管与直管连接结构几何尺寸D300mm、t5mm、R1.0D为例，计算受内压载荷1MPa下的结构应力分布，将其与相应尺寸的弯管和直管的轴向薄膜应力mPr/2t）相比，得到了无因次的结构轴向应力集中系数Kp分布情况。
连接面及其边缘区域轴向应力变化梯度较大，具有明显的边缘应力分布特征，这是弯管与直管连接时因总体结构不连续，在载荷作用下结构变形协调产生的附加弯矩和横向推力所致。
但结果可以出，边缘应力的影响区域并不大，在直管侧远离连接面处，三条路径的应力变化趋于平缓，应力集中系数小于1，表明该区域应力值甚至比单纯一根直管承受内压时的轴向应力要小；在弯管侧的边缘影响区，内拱线处轴向应力集中较明显，应力集中系数达到了1.21，说明此处轴向应力比单纯弯管承受内压时的轴向应力值大近21%，然后随角的增大逐渐减小，外拱线的KP始终小于1；中性线处的KP却随角的增大而增大。而在连接处轴向应力的集中系数相对较小，说明弯管与直管连接对连接面的强度影响不大。
同理，将有限元计算得到的结构周向应力分别与直管、弯管及其连接处的周向薄膜应力相比。结果表明，除内、外拱线在连接面附近很小的范围内有较大的应力集中外，其它区域应力集中系数小于1。
上述分析表明，连接结构与直管以及弯管的应力分布是不一样的，在此需要进一步分析连接面应力周向分布规律。
内压载荷作用下，在内拱线的内表面位置出现最大周向应力值达38.02MPa，比直管的周向薄膜应力大了26.7%，但比弯管内拱线处的周向薄膜应力小了15.5%，周向最小应力均出现在外拱线位置，周向应力明显大于轴向应力；而最大轴向应力出现在内拱线的外表面，稍大于直管的轴向应力，在内、外拱线附近轴向应力变化梯度较小。
进一步分析不同R/D和r/t情况下的应力情况，连接面最大轴向应力集中系数随着R/D增大而减少，随r/t增大而增大，但其轴向应力最大值与直管的轴向应力值十分接近，且其结果与GB/T19624-2004标准的G.2公式计算结果相比，误差也在允许范围。
3 结论
本文应用有限元数值模拟的方法，计算了在内压载荷作用下，弯管与直管连接结构的应力分布特点和规律。
研究结果表明，连接面的周向应力比直管周向应力大，连接面周向应力分复杂，相比于直管更为危险，其中最危险截面是在弯管中心横截面位置；而在内压载荷单独作用下连接面最大轴向应力与直管相当，数值及分布规律无太大差别。
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