圆形焊接弯管的径向变形受力分析

邓广义，范 旭

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

1 概述

大直径(>1000mm)薄壁(≤6)圆形焊接弯管在传统的设计过程中设计人员往往要在弯管中间段设置加固肋防止径向变形。理由是大直径薄壁圆管在径向刚度差容易变形因而推断出用圆管段拼接而成的弯管也容易产生径向变形。其实两端无约束的圆形直管和弯管因结构不同，它们的径向刚度完全不同。下面就自由水平放置的焊接弯管进行应力分析。

焊接圆弯管实际上就是圆形直管段按一定的角度拼接而成角连接管段。

2 设定

(1)水平放置的圆形焊接弯管在受垂直向的均布径向力作用P发生由圆截面向椭圆截面的变形。

(2)径向变形时径向截面的周长变形，也就不产生周长变形的内应力。

(3)为简化计算，设定焊接弯管的内弯线为变形的起始线，弯管变形由起始向外弯线变形，见图1、图2。

3 定义

角连接：两段圆管按一定的角度连接。

Dw：焊接圆弯管变形前的外径；

b：管壁厚度。

R：焊接圆弯管的弯曲半径。

S：圆管截面积。

Sp：P在管段上的有效受力面积。

A：圆管两端面的半夹角。

L：未变形管段中心线长度。

y：外轮廓线向外偏移量。

E：弯管材料的弹性模量。

F：管道变形所需的拉力。

Fx：F力的轴向分力。

Fy：F力的经向分力。

P：作用在弯管上的垂直均布荷载力。

Mp：作用在弯管上的垂直均布荷载压强。

4 分析

(1)当管段之间未焊接时变形状态如图3，从图3可看出，管道只是产生由圆截面变向椭圆截面的管壁弯曲变形，而没有产生管壁的拉升或挤压变形。薄壁圆管的刚度很小，在径向产生弯曲变形时所需的径向力也很小。这就是为什么我看到工地没加加固肋的大直径薄壁圆管在自身重力的作用下变成椭圆形的原因。

(2)当管段之间焊接时变形状态如图4，黄色阴影部分为管壁拉伸的变形量。

图4 弯管焊接变形图

(3)根据图5、图6视图进行受力分析。

图5 受力分析图

当α＞0，变形达到平衡时：P=Py

当A=0时R趋向无穷大，这时弯管为直管。从推导出的公式(1)得出x=0，代入公式(4)、(6)可看出，Fx=0，Py=0，所以对端口无约束的直管段在P作用力下不会产生管壁内部变形的内应力来对抗径向变形，管道只受到管道径向变形引起的弯曲应力来对抗变形。

下面以电厂烟道系列管径根据推导出的公式(8)(9)计算得出计算表1。

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

续表1

(4)从表1可看出，随着管道外径的增加产生径向3/1000的变形所需压强Mp逐渐减少，达到最大直径12000时为最小值0.168MPa，但仍然高于标准大气压0.1013MPa。也就是说即使管道内部成真空状态而大气压力全部当成垂直压力也不能使管道产生千分之三的径向位移。而电厂的圆形烟道所受径向外力主要为自身的重力、风荷载、雪荷载、积灰荷载和烟道的负压，而这些所有受力的总和<0.02MPa，远远小于0.168MPa。所以烟道焊接弯管自身有较强的抗变形能力，无须设置加固肋。

5 结语

圆管段或圆锥管段在端口与其它圆管段或圆锥管段形成角连接时，角连接焊缝处不同管段由于变形的方向不一致而使内应力形成了一定的角度从而使得在径向形成了合力，这个合力阻止径向变形。因此，圆形焊接弯管自身结构具有较强的抗变形能力，中间的管段无须采用加固肋进行加固来阻止径向变形。随着圆形烟风管道在电厂设计中大量采用，弯管不设加固肋能避免大量的型钢的浪费。

[1]孙训芳，方孝淑，关来秦.材料力学(第5版).北京：高等教育出版社，2009.

[2]DL/T 5121－2000，火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程[S].

[3]DL/T 5204－2010，火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程[S].