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        大型90°彎頭應變測量和爆破試驗研究分析

        振動時效設備|消除殘余應力|應力 (jhvsr1.skxox.com)

        大型90°彎頭是行業管道系統中常用零件之一,是管系中的薄弱環節。彎頭在工作過程中承受高溫、高壓、交變荷載,易產生疲勞、蠕變損傷,其運行壽命比直管道短,其可靠與否直接影響整個管系的正常運行。另外彎頭在制造過程中,由于制造技術的限制,在其彎曲弧段截面會不同程度地產生非圓截面。在同樣的荷載狀態下,圓截面彎頭和非圓截面彎頭的應力分布及應力狀態是不同的。受廠家委托,聚航科技以Φ356mm*55mm的90°彎頭為測試對象,進行應變測量爆破試驗,并將所得的結果與理論計算結果進行了比較。

        試件的結構和材質

        試驗彎頭選自實物產品,材質為20#鋼,尺寸Φ356mm*55mm,彎曲半徑R=890mm,兩端各有一段200mm長直管。為便于試驗,將彎頭兩端用平板封頭焊死。

        測點布置及應變測量步驟

        布點位置選擇

        彎頭是對稱殼體,故測點主要布置在試件外壁表面的一邊或一側,沿3個截面布片:45°截面(彎頭對稱平面),67.5°截面,90°截面;另在45°截面與67.5°截面之間等分幾個截面,多布一些片。

        測點定位及表面處理

        首先確定各測點的具體位置,在貼片前先對要測部位進行打磨和清洗。對于主應力方向不清楚點,采用0°、45°、90°的三向應變花,電阻值120.4±0.3,靈敏系數2.08±1%。在已知主應力方向的測點,為了測量及計算方便,采用了0°、90°的二方向應變花,電阻值120.3±0.4,靈敏系數2.08±1%。待貼的應變片自然干燥和烘干、接線完成后,進行應變測量。

        試驗壓力及試驗步驟

        先在試驗管件中加滿水,然后用超高壓泵向管件內壓入由50%變壓器油和50%煤油配制而成的混合油。為了消除應變片的滯后現象,在應變測量前將壓力從0緩慢上升至32MPa二次,再卸壓為0,同時,將JH應變儀調零。然后將試驗壓力逐級加載及卸載。第一次壓力循環:0→16→32→40→48→60→48→40→32→16→0;第二次壓力循環:0→16→32→40→48→60→48→40→32→16→0;第三次壓力循環:0→60→72→0→72→0.將試件的試驗壓力分別穩定在以上各壓力級下,逐點記錄下各測點對應的應變值;當卸壓為0時,則記下各點的零點漂移值。

        測量結果分析

        根據第四強度理論計算當量應力,彎頭外弧側的當量應力較大,內壓為32MPa時,最大當量應力為53.09MPa,出現在測量點16(徑向角50.6°)處;內弧側沿徑向方向外壁當量應力分布比較均勻,內壓為32MPa時,測得最大當量應力為41.20MPa,出現在測量點23(徑向角45°)處。

        彎頭在工作壓力下的計算

        彎頭在彎制過程中,其外弧側由于纖維受到拉伸作用使管壁減薄,內弧側由于纖維受到壓縮作用使管壁增厚,同時橫截面還會發生橢圓效應。因此,彎頭沿管壁的應力分布不同于直管。

        圓截面彎頭外壁應力計算

        由計算公式可知,工作壓力下,圓截面彎頭外壁當量應力的分布主要受周向應力影響,數值由內弧側向外弧側逐漸減小。

        橢圓截面彎頭外壁應力計算

        當考慮彎頭壁厚變化時,彎頭的壁厚與該處的曲率半徑成反比,所以從內外弧分界處開始,外弧側壁厚減薄,內弧側壁厚增厚,其界面近似于橢圓。

        根據測試公式可知,工作壓力下,橢圓截面彎頭外壁當量應力的分布主要受周向應力和軸向應力影響,最大應力出現在外弧側。

        當內壓32MPa時,計算的內外弧側當量應力值與內、外弧側實測當量應力的最大值比較可知,工作壓力下,橢圓截面公式的計算結果更接近實測值。說明厚壁彎頭在成型后存在由于非圓截面而造成的應力分布不均勻問題,因此相關規范中對于高壓管道要求圓度偏差小于3%,對于中低壓管道要求圓度偏差小于5%是十分必要的。

        爆破試驗及結果分析

        爆破后彎頭的外型膨脹,彎頭發生伸展,角度已大于90°。爆破口位于彎頭外弧側靠近67.5截面處,爆破口沿軸向大開口,最大開口處的裂口長寬比達8.2,斷口上有明顯的剪切唇,說明爆破為韌性斷裂,爆破壓力達157MPa,爆破安全系數n=Pb/Pn=4.91.

        結論

        1.大型厚壁90°彎頭的外壁實測當量應力的最大值出現在其外弧側徑向角50.6°處。

        2.橢圓截面彎頭公式的計算結果與實測值接近,在無實測值可參考的情況下,可以利用公式對工作壓力下厚壁彎頭的最大應力進行初步估算。

        3.彎頭的爆破口位于彎頭外弧側,徑向角67.5°附近,這與實測當量應力最大位置較接近,破口呈大開口剪切唇,屬典型的韌性斷裂,爆破安全系數達到4.91.

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