摘要在几个简化假设的前提下,采用弹塑性有限元方法,系统分析了内压下含轴向裂纹的等径焊制三通的极限载荷及其变化规律,分别给出了含轴向裂纹、穿透型裂纹及表面裂纹的三通极限载荷的估算公式,并将估算公式计算出的值与有限元数值解进行了比较。结果表明,深短裂纹和浅表面裂纹对极限载荷影响很小,内表面和外表面两种裂纹形式对极限载荷的影响差别不大,可采用外表面裂纹来分析;给出的估算公式具有较高的精度和合理的保守性。

油气输送及石油化工行业中的压力管道失效往往导致灾难性事故,其安全可靠性日益引起工程界的重视,如何建立相应的完整性评定规程成为近期国际上的研究热点。断裂试验研究表明,工业中压力管道(包括管件)的失效多由塑性极限载荷控制,因而如何简便准确地估算含缺陷压力管道的塑性极限载荷,成为其完整性评定技术的关键。目前对直管和弯头已作了部分研究工作,但对含缺陷三通的极限载荷分析还少有报道。文献[1]指出,目前有关含纵向平内裂纹三通极限载荷的研究,仅限于四分之一拐角裂纹形式,且支主管的直径比(d/d)小于0·5,石化行业大量采用的等径三通的极限载荷估算方法,还未见报道。笔者采用有限元方法,以含纵向平面内裂纹的等径焊制三通为研究对象,对其内压下的极限载荷与裂纹尺寸之间的关系进行了系统分析,提出了简便可行的估算方法。得出的结果可为含缺陷管件完整性评定提供基础数据。

几个简化假设

为便于工程应用,从保守角度出发,对含裂纹三通复杂的几何结构和实际材料作如下假设。

(1)三通由两个理想圆筒体正交相贯焊制而成,不考虑主、支管的不圆度和加工误差;不考虑相贯线处焊缝对三通强度的加强效应,把整个结构作为薄壁壳体来考虑,且主、支管端部封闭,即考虑内压在轴线方向的作用效果。

(2)理想刚塑性材料假设。即认为三通相贯区发生完全屈服前没有弹性变形,忽略压力载荷下三通管件的椭圆化趋势,考虑到材料的应变硬化效应,取流变应力作为理想材料的屈服应力。

(3)裂纹尺寸假设。考虑到工程中的实际情况,取轴向平面内关于拐角处对称的裂纹形式进行研究,这是最危险的一种情况。裂纹长度用2c表示,裂纹深度为常数a,即简化为矩形裂纹,工程中的其它表面裂纹形式,都可按r6[2]提供的方法转化为矩形裂纹来表征