椭圆度对直埋供热弯头应力的影响

王 飞，杜保存，王国伟

（太原理工大学 环境科学与工程学院，太原030024）

弯头是供热直埋管道中的重要部件，也是管线中的薄弱环节。近年来，许多学者对主要承受内压力作用的弯管进行了理论分析、数值模拟和实验研究，得出了随着椭圆度的增加，弯头危险点的应力值迅速增加［1－4］。所以为保证管道的安全性，应严格控制弯管的椭圆度。相关规范均对弯头椭圆度作了规定［5－6］，而且允许椭圆度值越来越小，但是严格控制直埋供热弯头椭圆度的必要性有待论证。一方面供热直埋弯头承受的压力低（不大于2.5MPa），循环温差作用是造成供热管道破坏的主要因素。另一方面，薄壁弯管在加工过程中，截面椭圆化是很难控制的。目前，国内外学者对薄壁管推弯中产生的壁厚不均匀和截面椭圆化的研究较少，普通的弯管方法与普通拉弯式弯管机均无法满足要求［7］。

为此，笔者利用ANSYS软件，分析了椭圆度从1%～20%的DN1200、DN1000、DN800的供热直埋弯头，在综合各种荷载作用下弯头应力的变化规律。

1 椭圆度

管道在弯制过程中，横截面产生一定的椭圆度。椭圆度为弯管外壁长轴长度Domax与弯管外壁短轴长度Domin之差，除以弯管圆形截面时的外直径Do所得值的百分比［8］：

式中：u为椭圆度；Domax为弯管外壁长轴长度，m；Domin为弯管外壁短轴长度，m；Do为弯管圆形截面时的外直径，m。

2 有限元模型的建立

弯头的有限元模型中，施加的荷载主要包括温度荷载、压力荷载以及位移荷载和土壤荷载。土壤荷载体现在土壤与管道的耦合作用上，通过调整弹簧的弹性系数来模拟土壤对管道的作用反力。弯头的有限元模型见图1所示。

图1 曲率半径为1.5DN、90°弯头的有限元模型

2.1 管道材料特性及尺寸参数

表1 管道材料特性（钢号Q235）

表2 弯头尺寸参数

表3 综合基床系数

2.2 网格划分

有限元模型的建立需要选用合适的单元，本研究的弯头和弯臂均采用20节点的SOLID95实体单元，弹簧采用弹簧－阻尼器单元COMBIN14，对弯头和两臂全部采用自由划分后形成的网格方式。

3 模型施加温度荷载、压力荷载以及位移荷载

设计温度为130℃，环境温度为10℃，弯管内表面施加1.6MPa的压力荷载，弯头两臂施加100 mm位移荷载。使用命令Solution＞Solve＞Current LS求解后，第四强度理论下弯管的应力分布见图2和图3所示。

图2 DN800弯头椭圆度1%第四当量应力分布图

4 荷载施加后弯头中性线处第四强度理论有限元值

图4为不同椭圆度下的3种弯头在温度荷载、压力荷载以及位移荷载作用下中性线处第四当量应力有限元值。

图3 DN800弯头椭圆度20%第四当量应力分布图

5 模拟结果分析

1）由图2和图3看出，对供热直埋弯头施加温度荷载、压力荷载以及位移荷载后，弯头中性线处应力值最大。这一结果与只受内压力作用的不同；只受内压力作用时，最大应力出现在内拱处。当椭圆度很大，等于20%时，最大应力从中性线处向内拱处偏移，但是仍靠近中线。

图4 压力1.6MPa曲率半径1.5DN下弯头中性线处第四强度理论有限元值

2）从图4可以得出，对供热直埋弯管施加温度荷载、压力荷载以及位移荷载后，弯头中性线处应力值随着椭圆度的增大先减小后增大。每种弯头都存在一个应力最小值对应的椭圆度。DN1200的供热直埋弯头，椭圆度为5%时，其第四当量应力值最小，为126MPa，比理想弯头应力值减小47.5%；椭圆度增大到为16%时，应力值才与理想弯头相等。同样，DN800的供热直埋弯头，椭圆度为8%时，应力最小，为414MPa，比理想弯头减小为15.9%；椭圆度为17%时，应力值才达到理想弯头的数值。

6 结论

当只有内压荷载的时候，控制弯管的椭圆度可有效地降低弯管的应力值。但是，对直埋供热弯头来讲，温度荷载是主要荷载，同时还受内压、土壤反力以及位移荷载作用，因此严格控制椭圆度既浪费 了投资，也增大了弯管的应力，是没有意义的。

［1］ 师俊平，刘协会，宋莉.椭圆载面管受内压作用的环向应力分析［J］.西安理工大学学报.1995，11（1）：72-76.

［2］ 师俊平.锅炉管道在内压及温度作用下的应力分析［J］.甘肃工业大学学报.1993，19（4）：95-99.

［3］ 徐方成，蒋家羚，林兴华.内压作用下弯管应力的实验研究［J］.厦门大学学报（自然科学版），2000，39（5）：617-621.

［4］ 万先平，蒋诚航，金志江.内压作用下椭圆管道应力及极限载荷数值分析［J］.化工机械，2010.37（3）：331-334.

［5］ 中华人民共和国化学工业部.GB 50235－97工业金属管道工程施工及验收规范［S］.北京：中国计划出版社，1998.

［6］ 中华人民共和国建设部.CJ／T155－2001硬质泡沫塑料预制直埋保温管件［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［7］ 张俊，方友忠，杨军.顶镦弯和侧助推弯管理论与实践［J］.东方电气评论.2010.24（24）：6-10.

［8］ 王致祥.管道应力分析与计算［M］.北京：水利电力出版社.1983：85-83.

［9］ 王飞，张建伟.直埋供热管道工程设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［10］ 王国伟.大口径直埋供热管道90°弯头疲劳寿命的有限元分析［D］.太原：太原理工大学，2010.