含凹坑缺陷弯管的塑性极限载荷研究

摘要

压力管道广泛应用于石油化工、能源和医药等工业领域以及城市供气与供热系统中，在国民经济中占有重要地位。弯管是管道系统的主要构件，它不仅能改变管道的方向，并且通过弹性变形大大降低系统中由于热膨胀等因素产生的力和弯矩。在实践中，弯管不可避免的会产生一定的缺陷，如腐蚀、冲蚀、机械损伤等，凹坑就是管道受腐蚀的结果。凹坑是弯管中常见的体积型缺陷，是一种破坏性较大的局部缺陷。它的存在降低了管道的承载能力，增加了疲劳裂纹萌生的可能性，最终导致管道的泄漏和破裂。而且弯管在受内压管道系统中受载复杂，因此有必要对其加以仔细研究。
　　 本文首先通过理论分析和数学推导，得到了无缺陷弯管分别在内压和弯矩作用下的应力分布状况和塑性极限载荷计算公式。然后通过有限元分析软件ANSYS10.0来模拟计算无缺陷弯管分别在内压和弯矩作用下的塑性极限载荷，将得到的有限元解与前述的理论解进行比较，结果表明：有限元解与理论解能较好的吻合，从而验证了本文利用ANSYS10.0来计算弯管的塑性极限载荷的方法是可行的。在此基础上，利用ANSYS10.0计算了含凹坑缺陷弯管的塑性极限载荷。本文着重研究了凹坑缺陷所处位置不同时，弯管分别在弯矩和内压作用下的塑性极限载荷，总结出了凹坑缺陷所处位置不同对弯管塑性极限载荷的影响规律。最后，本文研究了凹坑缺陷尺寸大小不同时弯管的塑性极限内压，并得到了凹坑缺陷尺寸大小不同对弯管塑性极限内压的影响规律。
　　 由于数学处理上的困难，对含凹坑缺陷弯管的极限载荷理论分析结果尚未见报道。因此，本文提出的数值模拟方法就体现出优越性，其分析计算结果对于管道的设计制造、运行维护和完整性评估均具有重要的参考价值。