内压作用下偏心异径管的应力分析.pdf

2 0 1 2年第 4 0卷第 7期 石 油机械 C HI NA P E TR0LE UM MACHI NERY 一8 9 一 油气 田开发工程 内压作 用下偏心异径管 的应力分析 陶春达 李宗涛 吴 明。 ( i西南石油大学2 中国石油化工股份有限公司洛阳分公司3 中国联通南充分公司) 摘要 ：为 了对异径管的设计、生产提供理论依据和计算方法，对异径管 中的偏心异径管进行 了分析研究，得到 了其应力分布规律 ，确定 了危 险点。为 了减少应力集中的影响，在异径管的大 小端分别加 了一段直管，在对称面上施加对称约束 ，在大端直管端面施加轴 向和径 向约束。分析 结果表 明，偏心侧 内外壁的环 向应力曲线总体趋势相似，大端 的应力要比小端的应力大；在 同样 壁厚等级和相同的公称压力下 ，当异径比增大时，环 向应力和相 当应力 的极值 出现位置都有 由大 端朝小端移动的趋势 ；适 当增加偏心异径管的长度 能减小危 险点的应力集 中程度。 关键词 ：偏心异径管 ；异径 比；相 当应力；环 向应力；轴向应力 ；应力集 中 中图分类号 ：T E 9 7 3 文献标识码 ：A文章编号 ：1 0 0 1 4 5 7 8( 2 0 1 2 )0 7 0 0 8 9 0 4 S t r e s s An a l y s is o f t h e Ec c e n t r ic Re d uc ing Pip e u n de r t h e Ef f e c t o f I nt e r na l Pr e s s ur e Ta o Ch u n d a L i Z o n g t a o W u Min g f 1 S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n iv e r s i t y 2 S I NO P E C L u o y a n g B r a n c h C o m p a n y 3 N a n c h o n g B r a n c h C o m p a n y o f C h in a U n i c o rn) Abs t r a c t： T o p r o v id e t h e t h e o r e t ic a l b a s is a n d c a l c ul a t in g me t h o d f o r t h e d e s i g n a n d p r o d u c t i o n o f r e d u c ing p ipe s，t h e e c c e n t r ic r e d u c in g p ip e wa s s t u d ie d t o o b t a in it s s t r e s s d is t r ib u t io n l a w a n d t o d e t e r min e t h e d a n g e r o us p o in t An a t t e mp t wa s ma d e t o o p t i miz e t h e d e s ig n o f t he r e d u c in g pi p e To r e du c e t h e e f f e c t o f s t r e s s c o nc e nt r a - t io n，a s t r a ig h t t u b e w a s a d d e d o n t o t h e l a r g e a n d s ma l l e n d s o f t h e r e d u c in g p i p e ， t h e s y mme t r ic c o n s t r a i n t wa s im- p o s e d o n t h e s y mme t r ic p l a n e a n d t h e a x ia l a n d r a d ia l c o n s t r a in t s we r e imp o s e d o n t h e e n d f a c e o f t h e s t r a ig h t t u b e a t t h e l a r g e e n d o f t h e r e d uc in g pi p e T he a n a l y s i s s h o ws t ha t t h e r e is a s imil a r it y f o r t h e g e n e r a l t r e n d o f a n n u l a r s t r e s s c u r v e s o f t he e x t e r n a l a nd in t e r n a l wa l l s o n t h e e c c e n t r ic s id e a n d t h e s t r e s s o f t he l a r g e e n d is g r e a t e r t ha n t h a t o f t h e s ma l l e nd Un de r t h e s a me wa l l t h ic k ne s s l e v e l a n d t h e s a me n o min a l p r e s s u r e，t h e l o c a t io n o f t he e x t r e me o f a n n ul a r s t r e s s a n d e q ui v a l e n t s t r e s s t e n d s t o mo v e f r o m t h e l a r g e e n d t o t h e s ma l l e n dPr o p e r r e d u c t i o n o f t h e l e n g t h o f e c c e n t r ic r e d u c in g p ip e c a n r e d u c e t he s t r e s s c o n c e n t r a t io n o f t h e d a n g e r o u s po in t Ke y wo r d s： e c c e n t r i c r e d u c in g p i pe； r e d u c in g r a t io； e q u iv a l e n t s t r e s s ； a n n u l a r s t r e s s； a x i a l s t r e s s ； s t r e s s e o n e e n t r a t j o n 0 引 言 异径管按结构形式大致可分为 3类 ：同心异径 管 、偏心异径管和异径 弯管。异径管工 况复杂恶 劣 ，工业生产中常有失效事故发生 。 目前 国 内 外 对 异 径 管 的分 析 研 究 报 道 较 少 ，而工程中的大量失效事故又迫切要求对异 径管的设计 、生产提供理论依据和计算方法。鉴于 此 ，笔者对异径管 中的偏 心异径管进行 了分 析研 究 ，得到了其应力分布规律 ，确定了危 险点，并对 异径管的优化设计进行了尝试。 1 偏心异径管结构 在实际工程运用中 ，偏心异径管按照与直管的 2 0 1 2年第4 0卷第7期 陶春达等：内压作用下偏心异径管的应力分析 一 9 1一 轴 向距离 m m a 偏心侧外表面 ： ：一 一 一 一 一 一 、 、 、 环 向应 力 相 当应 力 轴 向应 力 径 向应 力 轴向距离 ram b 偏 心侧 内表面 轴向距离 mm 轴向距离 Y Y C 平 底侧外 表面d 平 底侧 内表面 环 向应力 相 当应 力 轴 向应 力 一 径 向应力 环 向应力 相 当应 力 轴 向应 力 一一 径 向应 力 图 5 R ( E) 1 5 08 0XS模 型 应 力 分 布 曲线 F ig 5 S t r e s s d is t r i b u t io n c u r v e s o f t h e R ( E )1 5 08 0X S m o d e l 有所不 同。这是因为异径管偏心侧与平底侧结构不 心侧 内壁和外壁处 。应力集中的出现主要和小端公 同，内压产生的弯矩导致了环向应力 的变化。 称直径和异径 比有关 。异径比越大 ，在其 内部产生 ( 2 )对于轴 向应力 ，在偏心侧 内外 壁 的变化 的力矩越大。偏 心异径管 的规格越大 、异径 比越 趋势却有所不同，外壁在大端和直管连接处急剧降 大 ，都会使危险点向小端靠近。变径段的应力变化 低直到 由拉应力变为压应力 ，成为异径管段 的最小 和直管的应力变化相似 ，即和半径的大小相关 ，所 值 ；而内壁却在大端和接管连接处急剧增加 ，成为 以大端的环 向应力和轴向应力都较小端大。 异径管段 的轴 向应力最大值 ，和环向应力的最大值 相当，在小端和接管连接处又下降。大端的轴向应 力要 比小端的轴向应力大。 ( 3 )除了特殊 的应力集 中点 以外 ( 如偏心侧 大端与直管连接处 的内壁) ，环 向应力都 比轴 向应 力大 。这和直管的性质是相同的。 ( 4 )在偏心侧 ，相 当应力 和环 向应力 的变 化 趋势是相似的，且大小和环向应力差别也不大。说 明环向应力在 3个主应力中较简单。总的来说 ，大 端接管环 向应力较小端接管的大 ，异径管段环向应 力从大端到小端逐渐减小。 ( 5 )在平底侧，环向应力 的分布相对 占主导地 位 ，只有在偏心内壁处 ，由于应力集中导致轴向应力 的突变，才改变了相当应力随环向应力变化的规律。 ( 6 )在整个模型中，径 向应力都较小 ，对应力 分布的影响也很小 ，在精度要求不高时可以忽略。 通过对常用规格 的偏 心异 径管有限元 分析可 知 ，应力集中 ( 危 险点 )主要 出现在大端 与直管 连接处偏心侧的内壁和外壁 、小端与直管连接处偏 4 偏 心异径管结构 改进探讨 现在对偏心异径管的结构改进做一下探讨 ，将 同规格的偏心异径管长度适当增加 ，其 目的是减小 危险点的应力值 ，减小应力集中。 表 i 给出了 1 MP a 压力下各种规格偏心异径管 的危险部位相 当应力随异径管长度 的变化情况。由 表可知 ，适当延长偏心异径管的长度对减小危险点 的相 当应力是一个 比较有效的途径 。 由图6可知 ，偏心异径管危险点的最大相当应 力随偏心异径管长度的增加都有明显的减小 ；偏心 异径管长度变化 在 1 2倍 时 ，曲线 的斜率 较大 ， 说明在这一长度区域 ，增加偏心异径管的长度对减 小危险点的相当应力有很显著 的