不等厚P92弯头的应力分析_叶盛春.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 1 期 174 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 1 月 不等厚不等厚 P92P92 弯头的应力分析弯头的应力分析 叶盛春1，张何境1，郭延军2，肖开儒1，江毅明1，李海洋2（1福建华电邵武能源有限公司，福建 邵武 354000；2华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）摘摘 要：要：本文采用有限元方法，分析了不等厚 P92 弯头在工作压力下的应力分布。结果表明，弯头轴向截面沿环向，在内壁位于内弧侧的应力最大，中性层的应力最小；弯头轴向截面沿环向，在外壁侧位于中性层的应力最大，外弧侧的应力最小。弯头 0环向截面沿轴向，在内壁整体应力分布最大，90环向截面沿轴向，整体应力分布最小；弯头 0、45、90环向截面沿轴向，在内壁整体应力分布最大，180环向截面沿轴向，在外壁整体应力分布最小。通过上述分析了解了不等厚 P92 弯头在工况下的应力分布情况，为该类弯头的受力分析及寿命评估提供了一定的理论基础。关键词：关键词：弯头；应力；非等厚；内壁；外壁 前前 言言 电站管道弯头由于其特殊的受力特征及结构是高温蒸汽管道在的重要组成部件，具有改变管线方向、连接管线、减少管道热应力的作用。电站中的弯头长期处于复杂的受力状态，导致管道在弯头部位发生应力集中1-3，因此是电厂蒸汽管道系统中的薄弱环节且为每次金属检修过程中的重点检查对象。在管道的制造过程中，弯头一般存在的形状缺陷4如横截面壁厚不均匀等。对于这类情况下的弯头应力状态，目前还没有精确的计算公式，因此本文利用有限元方法对等不厚的 P92 弯头进行应力分析。所得结果可供火电厂、核电厂及化工厂等重要管道系统的弯头设计时参考，也可作为理论计算的校核数据5-6。1 1 有限元分析有限元分析 1.1 弯头模型 为探究不等厚 P92 弯头的应力分布情况，本次模拟的弯头尺寸大小为：内径 ID=419 mm，弯曲半径 r=991 mm，外弧侧壁厚 s=108 mm，内弧侧壁厚 s=136 mm。为消除边界效应的影响，对弯头增加直段区域长度 l=700 mm7本次模拟分别沿弯头轴向与环向对其内外壁的应力分布进行分析。（1）在弯头 15、30、45轴向截面，记为 zx_15、zx_30、zx_45沿环向对弯头内外壁应力进行分析；（2）在弯头 0、45、90、135、180环向截面，记为 hx_0、hx_45、hx_90、hx_135、hx_180，沿轴向对弯头内外壁应力进行分析，如图1 所示。a)环向截面 b)轴向截面 图图 1 1 弯头截面分析示意图弯头截面分析示意图 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.087 叶盛春：不等厚 P92 弯头的应力分析 175 1.2 材料 该不等厚度弯头的材质为 SA-335 P92，弯头的运行工况温度为 610，且此材料在该温度下的泊松比为 0.28，弹性模量为 169000 MPa。1.3 载荷与边界条件 弯头为对称结构，因此取弯头的一半作为研究对象8。在弯头对称面上施加垂直于对称面方向的对称约束，在弯头的直管段端面施加垂直于直段端面的对称约束，且垂直于管道内表面施加 27.49 MPa 的压力载荷。1.4 网格划分 不等厚弯头在内压作用下，一般在内弧侧区域的应力比较集中，因此通常在应力比较大或者应力变化比较大的区域有限元网格应比较密9。本次网格划分采用六面体网格三维实体单元，网格模型为 C3D8R。2 2 计算结果及分析计算结果及分析 经有限元计算分析，该弯头在设计温度与压力下的应力分布如下图 2 所示。从图中可发现，弯头在内弧侧区域的内力最为集中，其最大等效应力为 80.79 MPa，且随着至弯头内壁距离的增加其等效应力也随之下降。图图 2 2 设计温度压力下弯头应力分布图设计温度压力下弯头应力分布图 2.1 弯头沿环向应力分析 2.1.1 内壁侧应力分析 弯头不同轴向截面沿着环向 0180的内壁侧的应力分布，如图 3 所示。图中表明弯头的 15、30、45轴向截面（zx_15、zx_30、zx_45）都随着环向角度的增加应力呈先减小后增加的趋势，其中当环向角度为 0时应力最大（即弯头内弧侧）；当弯头环向角度为 90时应力最小（即弯头中性面）；弯头环向角度从 90增加至 180时，应力呈放缓增加趋势，轴向截面在外弧侧的应力小于内弧侧。通过各截面位置整体应力的比较，45轴向截面在弯头的内弧侧与外弧侧的应力最大，但在中性层的应力最小。图图 3 3 轴向截面沿环向内壁侧应力分布轴向截面沿环向内壁侧应力分布 2.1.2 外壁侧应力分析 弯头不同轴向截面沿着环向 0180在外壁侧的应力分布，如图 3 所示。从图中可观察到弯头的 15、30、45轴向截面（zx_15、zx_30、zx_45）都随着环向角度的增加应力呈先增加后减小的趋势，当环向角度增加至 90左右时（中性面），弯头的应力最大。随着轴向截面的变化，弯头外壁侧的整体应力最大差值仅约为 1MPa，表明不同的轴向截面对弯头外壁侧的应力影响不大。2.2 弯头沿轴向应力分析 2.2.1 内壁侧应力分析 图图 4 4 环向截面沿轴向内壁侧应力分布环向截面沿轴向内壁侧应力分布 弯头不同的环向截面沿着轴向 090在内壁侧的应力分布，如图 4 所示。图中表明弯头 hx_0 环向截面内壁侧的应力先随着轴向角度的增加而增加，当轴向角度从30增加至 60时，其弯头内壁侧的应力变化不明显，随着轴向角度的继续增大，弯头内壁侧的应力随着轴向角度的增加而下降；弯头 hx_45 环截面的内壁侧应力也先随着轴向 176 叶盛春：不等厚 P92 弯头的应力分析 角度的增加而增加，当轴向角度从 20增加至 70时，弯头内壁侧的应力变化不明显，随着轴向角度的继续增大，内壁侧的应力随之下降；hx_90、hx_135、hx_180 环向截面的内壁侧应力变化趋势相同，先随着轴向角度的增加内壁侧应力随之下降，当轴向角度从 20增加至 70，内壁侧应力变化不明显，随着轴向角度的继续增加应力呈上升的趋势。上述 5 个环向位置平稳段应力的大小分别为 hx_0 hx_45 hx_180 hx_135 hx_90。2.2.2 外壁侧应力分析 弯头不同的环向截面沿着轴向 090在外壁侧的应力分布，如图 4 所示。弯头 hx_0、hx_45、hx_90 环向截面的外壁侧应力沿轴向角度增加有相同的变化趋势，随着轴向角度的增加，外壁侧应力随着而增加，当轴向角度从 20增加至 70时，外壁侧的应力基本保持不变，然后随着轴向角度的继续增加，外壁侧应力随之下降；hx_135、hx_180环向截面的外壁侧应力沿轴向角度增加有相同的变化趋势，随着轴向角度的增加，外壁侧应力先呈减小的趋势，当轴向角度从 15增加至 75时外壁侧的应力变化不明显，随着轴向角度的继续增加，外壁侧应力随之而增加。上述 5 个环向位置平稳段的应力大小分别为：hx_0 hx_45 hx_90 hx_135 hx_180。3 3 结结 论论 （1）弯头轴向截面沿环向随着角度的增加内壁侧应力呈先下降后上升的趋势，且轴向截面在内壁侧位于内弧侧的应力最大，最大，中性层的应力最小；弯头轴向截面沿环向随着角度的增加外壁侧应力呈先上升后下降的趋势，轴向截面在外壁侧位于中性层的应力最大，外弧侧的应力最小。（2）弯头 0、45环向截面沿轴向随着角度增加内壁应力呈先增大后减小的趋势，90、135、180环向截面沿轴向随着角度的增加呈先减小后增加的趋势；弯头0、45、90环向截面沿轴向随着角度的增加外壁侧应力先增大后减小，135、180环向截面沿轴向随着角度的增加外壁侧应力先减小后增大。（3）该不等厚 SA-335 P92 弯头，应力最为集中的区域为内弧侧，且最大等效应力值为 80.79 MPa。弯头中性层区域相较于其他区域应力较低，安全系数更高。参考文献参考文献 1 蓝翔,徐鸿,杨乐,等.壁厚不均对平面内弯矩作用下 P92 钢管弯头蠕变寿命的影响J.机械工程材料,2018,42(01):78-83+88.2 徐思浩.90管弯头的应力分布J.化工设备与管道,2001(04):38-39+4.3 刘波.无缺陷 90弯头应力状态的有限元分析J.中国石油和化工标准与质量,2012,32(06):75-76.4 Cherniy V.P.Effect of Curved Bar Properties on Bending of Curved PipesJ.Journal of Applied Mechanics,2001,68(4).5 毛苗,江楠.90厚壁弯管的应力分析与试验研究J.压力容器,2010,27(07):5-8.6 刘学,白绍桐,张东黎,等.超超临界机组再热蒸汽管道热推弯头强度分析J.华电技术,2008(02):22-25.7 安锦平.内压作用下非圆截面弯头的应力分析J.电力建设,2001(09):24-27.8 李海洋,郭延军,乔立捷.压力载荷作用下非圆截面管件的应力分析J.化工机械,2021,48(02):224-228.9 刘学,郑善合,徐鸿.多轴应力状态下 P91 钢蠕变寿命损耗的研究J.现代电力,2006(04):46-49.