異徑管-大小頭
異徑管特點(diǎn)的研究及其設(shè)計(jì)選用
材料：不銹鋼 碳鋼 合金鋼
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規(guī)格： DN20-DN3000
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在石油化工管道中，異徑管是常用的管件之 一，但一般地說(shuō)，人們總以為直管的理論可以直接 套用到異徑管去使用，對(duì)異徑管問(wèn)題的研究長(zhǎng)期 以來(lái)基本是零散的，針對(duì)具體失效事例的異徑管 問(wèn)題的理論研究很少見(jiàn)有報(bào)道。實(shí)際上，異徑管 不同于直管或等徑彎頭，異徑管幾何形狀復(fù)雜，又 具有一些統(tǒng)一的共同特征，具有很多自己獨(dú)到的 特點(diǎn)，筆者從7方面對(duì)其進(jìn)行了初步的分析研究。
通過(guò)字符公式描述物理現(xiàn)象是常見(jiàn)的研究方 法，初步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彎曲半徑尺一∞時(shí)，異徑彎 管便變成同心異徑管。而當(dāng)兩端的直徑相等時(shí)， 同心異徑管就成了直管，偏心異徑管就成了橫截 直管或斜截直管，異徑彎管就成了等徑彎管(彎 頭)。
參數(shù)的變化來(lái)明確表達(dá)各種具體結(jié)構(gòu)： (1)管件中心線(xiàn)彎曲半徑R； (2)彎曲半徑與大端圓截面的夾角臼； (3)大端圓截面與外拱母線(xiàn)的夾角a； (4)大端圓截面與內(nèi)拱母線(xiàn)的夾角_19； (5)大端圓截面回轉(zhuǎn)半徑半徑rl； (6)小端圓截面回轉(zhuǎn)半徑半徑r2。 這些管件在承受相同的外載荷時(shí)管壁上的應(yīng) 力分布應(yīng)該有一個(gè)包含上述6個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的統(tǒng)一 表達(dá)公式：口=P(a、口、p、R、r1、r2、￡、[盯]、n)，式 中P表示外載荷，￡是管件殼厚，[口]是管件材料 的許用應(yīng)力，n是該許用應(yīng)力相應(yīng)安全系數(shù)。上 式中，尚未考慮管件橫截面的橢圓度的影響。
異徑管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有許多具體表現(xiàn)，如：①通常屬于薄殼結(jié)構(gòu)；②除同心異徑管外，結(jié)構(gòu)非軸對(duì) 稱(chēng)，不屬于旋轉(zhuǎn)薄殼；③理論上，對(duì)于偏心異徑管， 垂直于管件軸線(xiàn)的橫截面不是圓面但是壁厚處處 相等，而與管件兩端面平行(即與管道軸線(xiàn)垂直) 的橫截面是圓面但是壁厚不均勻；④異徑彎管是 一種雙曲面結(jié)構(gòu)；⑤與等徑彎頭或三通等其他管 件不同，異徑彎管兩端面即便是與等直徑、等壁厚 的直管相對(duì)接，其大端內(nèi)拱也存在內(nèi)凹、小端外拱 存在外凸(見(jiàn)模型圖2和實(shí)物圖3、圖4)，其開(kāi)始變 徑的截面處也就存在結(jié)構(gòu)突變；⑥由于成型工藝， 管件往往出現(xiàn)壁厚不均勻、橫截面橢圓形等。
且彎 管屬于非軸對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)薄殼，在同一內(nèi)壓作用下， 彎管中性面處彎曲半徑徑向向外的作用力要大于 徑向向內(nèi)的作用力，使得其結(jié)構(gòu)受力不均，產(chǎn)生力 矩，彎曲應(yīng)力已經(jīng)成為影響其強(qiáng)度的主要應(yīng)力，經(jīng) 典的、不考慮邊緣力的無(wú)力矩薄膜應(yīng)力式已無(wú)法 反映等徑彎管的實(shí)際應(yīng)力分布狀況，而且，內(nèi)壓作 用下異徑彎管的應(yīng)力分布狀況進(jìn)一步復(fù)雜化，使 異徑管表現(xiàn)出獨(dú)特的受力特點(diǎn)，具體有：①除與等 徑彎頭一樣其力學(xué)性能與彎頭的相對(duì)彎曲半徑 n．。 R／r、彎頭的彎曲系數(shù)A=等等幾何參數(shù)有關(guān) r一 外，還與兩端大小口的差異程度有關(guān)；②內(nèi)壓作用 下，理想結(jié)構(gòu)尺寸的偏心異徑管和異徑彎管也會(huì) 產(chǎn)生力矩，旋轉(zhuǎn)薄殼的無(wú)力矩理論無(wú)法完全反映 它們的應(yīng)力狀況；③由于管件壁厚不均勻和橫截 面橢圓形，管壁產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；④幾何和材料的非 線(xiàn)性相互作用不僅會(huì)促成異徑管的塑性破壞，而 且異徑管的極限載荷會(huì)低于直管的極限載荷。
異徑管結(jié)構(gòu)的功能特點(diǎn)：①與三通相比，異徑 彎管不但能改變管道走向，還能使管道走向不同 的角度，而管內(nèi)介質(zhì)流線(xiàn)都能順暢，減少壓降和溫 降[23；②與等徑彎頭相比，異徑彎管不但能吸收管 道熱脹冷縮的位移變化，還能使管內(nèi)介質(zhì)流速改 變；③同心異徑管或偏心異徑管在不改變管道走 向的前提下，能使管內(nèi)介質(zhì)流速改變而流線(xiàn)順暢； ④異徑管小端可加上盲板構(gòu)成封頭功能。
異徑管結(jié)構(gòu)的功能特點(diǎn)：①與三通相比，異徑 彎管不但能改變管道走向，還能使管道走向不同 的角度，而管內(nèi)介質(zhì)流線(xiàn)都能順暢，減少壓降和溫 降[23；②與等徑彎頭相比，異徑彎管不但能吸收管 道熱脹冷縮的位移變化，還能使管內(nèi)介質(zhì)流速改 變；③同心異徑管或偏心異徑管在不改變管道走 向的前提下，能使管內(nèi)介質(zhì)流速改變而流線(xiàn)順暢； ④異徑管小端可加上盲板構(gòu)成封頭功能。
在有限元軟件的前處理功能中，按所需壁厚 分別作同心異徑管及兩端與其相連的等壁厚直管 時(shí)，同心異徑管與直管之間的連接面是環(huán)形錐面， 或者，同心異徑管與直管之間內(nèi)外壁面的相慣連 接線(xiàn)不在同一軸向位置上，如圖5所示。
按所需壁厚分別作與同心異徑管兩端相連的 直管，然后通過(guò)兩端直管的端面連接來(lái)構(gòu)造同心 異徑管時(shí)，同心異徑管與直管之間的連接面是環(huán) 形平面，該同心異徑管的壁厚必定較兩端直管的 壁厚要薄，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中常用到工程去的同心異徑管 規(guī)格來(lái)說(shuō)，從巾168／牽89×5．5到帕25／憶19×10之 間，減薄率為1．1％。7．0％，如圖6所示。
同理，先分別作與偏心異徑管兩端相連的直 管，再連接兩直管端面同樣可構(gòu)建的偏心異徑管， 問(wèn)題是偏心異徑管的壁厚在周向是變化不等的。 如果使得非偏心的一側(cè)壁厚等于理論尺寸，則偏 心部分的壁厚較理論尺寸稍薄一些，標(biāo)準(zhǔn)推薦的 結(jié)構(gòu)尺寸其偏心減薄也在10％一11．4％。反之， 如果使得偏心部分的壁厚等于理論尺寸，非偏心 的一側(cè)的壁厚就會(huì)較理論尺寸稍厚一些。
按斜截同心異徑管截頭所得結(jié)構(gòu)代替偏心異 徑管時(shí)，因?yàn)樾苯孛娌皇菆A面而是橢圓面，就會(huì)存 在端面與直管之間有錯(cuò)邊、無(wú)法完全相接的問(wèn)題l3|。 顯然，這些模型尺寸偏差也將使分析結(jié)果產(chǎn) 生不容忽略的誤差。目前，工程圖學(xué)和計(jì)算機(jī)繪 圖方面尚未有更好的辦法來(lái)方便且精確地描述偏 心異徑管的實(shí)體造型，要精確地描述偏心異徑管 的實(shí)體造型十分繁瑣，異徑管的有限元建模方法 尚需深入探討。
