圓形焊接彎管的徑向變形受力分析

鄧廣義，范 旭

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

1 概述

大直徑(>1000mm)薄壁(≤6)圓形焊接彎管在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員往往要在彎管中間段設(shè)置加固肋防止徑向變形。理由是大直徑薄壁圓管在徑向剛度差容易變形因而推斷出用圓管段拼接而成的彎管也容易產(chǎn)生徑向變形。其實(shí)兩端無(wú)約束的圓形直管和彎管因結(jié)構(gòu)不同，它們的徑向剛度完全不同。下面就自由水平放置的焊接彎管進(jìn)行應(yīng)力分析。

焊接圓彎管實(shí)際上就是圓形直管段按一定的角度拼接而成角連接管段。

2 設(shè)定

(1)水平放置的圓形焊接彎管在受垂直向的均布徑向力作用P發(fā)生由圓截面向橢圓截面的變形。

(2)徑向變形時(shí)徑向截面的周長(zhǎng)變形，也就不產(chǎn)生周長(zhǎng)變形的內(nèi)應(yīng)力。

(3)為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)定焊接彎管的內(nèi)彎線為變形的起始線，彎管變形由起始向外彎線變形，見(jiàn)圖1、圖2。

3 定義

角連接：兩段圓管按一定的角度連接。

Dw：焊接圓彎管變形前的外徑；

b：管壁厚度。

R：焊接圓彎管的彎曲半徑。

S：圓管截面積。

Sp：P在管段上的有效受力面積。

A：圓管兩端面的半夾角。

L：未變形管段中心線長(zhǎng)度。

y：外輪廓線向外偏移量。

E：彎管材料的彈性模量。

F：管道變形所需的拉力。

Fx：F力的軸向分力。

Fy：F力的經(jīng)向分力。

P：作用在彎管上的垂直均布荷載力。

Mp：作用在彎管上的垂直均布荷載壓強(qiáng)。

4 分析

(1)當(dāng)管段之間未焊接時(shí)變形狀態(tài)如圖3，從圖3可看出，管道只是產(chǎn)生由圓截面變向橢圓截面的管壁彎曲變形，而沒(méi)有產(chǎn)生管壁的拉升或擠壓變形。薄壁圓管的剛度很小，在徑向產(chǎn)生彎曲變形時(shí)所需的徑向力也很小。這就是為什么我看到工地沒(méi)加加固肋的大直徑薄壁圓管在自身重力的作用下變成橢圓形的原因。

(2)當(dāng)管段之間焊接時(shí)變形狀態(tài)如圖4，黃色陰影部分為管壁拉伸的變形量。

圖4 彎管焊接變形圖

(3)根據(jù)圖5、圖6視圖進(jìn)行受力分析。

圖5 受力分析圖

當(dāng)α＞0，變形達(dá)到平衡時(shí)：P=Py

當(dāng)A=0時(shí)R趨向無(wú)窮大，這時(shí)彎管為直管。從推導(dǎo)出的公式(1)得出x=0，代入公式(4)、(6)可看出，F(xiàn)x=0，Py=0，所以對(duì)端口無(wú)約束的直管段在P作用力下不會(huì)產(chǎn)生管壁內(nèi)部變形的內(nèi)應(yīng)力來(lái)對(duì)抗徑向變形，管道只受到管道徑向變形引起的彎曲應(yīng)力來(lái)對(duì)抗變形。

下面以電廠煙道系列管徑根據(jù)推導(dǎo)出的公式(8)(9)計(jì)算得出計(jì)算表1。

表1 受力分析(R=1.5Dw，y=0.003Dw，2A=22.5°，b=5，E按200℃取值)

續(xù)表1

(4)從表1可看出，隨著管道外徑的增加產(chǎn)生徑向3/1000的變形所需壓強(qiáng)Mp逐漸減少，達(dá)到最大直徑12000時(shí)為最小值0.168MPa，但仍然高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.1013MPa。也就是說(shuō)即使管道內(nèi)部成真空狀態(tài)而大氣壓力全部當(dāng)成垂直壓力也不能使管道產(chǎn)生千分之三的徑向位移。而電廠的圓形煙道所受徑向外力主要為自身的重力、風(fēng)荷載、雪荷載、積灰荷載和煙道的負(fù)壓，而這些所有受力的總和<0.02MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.168MPa。所以煙道焊接彎管自身有較強(qiáng)的抗變形能力，無(wú)須設(shè)置加固肋。

5 結(jié)語(yǔ)

圓管段或圓錐管段在端口與其它圓管段或圓錐管段形成角連接時(shí)，角連接焊縫處不同管段由于變形的方向不一致而使內(nèi)應(yīng)力形成了一定的角度從而使得在徑向形成了合力，這個(gè)合力阻止徑向變形。因此，圓形焊接彎管自身結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗變形能力，中間的管段無(wú)須采用加固肋進(jìn)行加固來(lái)阻止徑向變形。隨著圓形煙風(fēng)管道在電廠設(shè)計(jì)中大量采用，彎管不設(shè)加固肋能避免大量的型鋼的浪費(fèi)。

[1]孫訓(xùn)芳，方孝淑，關(guān)來(lái)秦.材料力學(xué)(第5版).北京：高等教育出版社，2009.

[2]DL/T 5121－2000，火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]DL/T 5204－2010，火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程[S].