不銹鋼彎頭不僅能改變不銹鋼管線的方向，還可以提高管路柔性，緩解管道振動和約束力，并對熱膨脹起補償作用，因此不銹鋼彎頭是受壓管道中很重要的部件。管線的最人應(yīng)力一般發(fā)生在彎頭處，所以彎頭是管線的薄弱環(huán)節(jié)。目前對彎頭的受力分析大都近似將其看成是受內(nèi)壓的壓力容器來考慮，并且不考慮其壁厚的變化，但是不銹鋼彎頭壁厚的不等厚性是客觀存在的，它必將改變彎頭應(yīng)力的分布。本文通過有限元分析的方法研究壁厚改變對彎頭應(yīng)力分布的影響。

一、成形工藝對不銹鋼彎頭壁厚減薄量的影響

 不銹鋼彎頭的加工工藝根據(jù)彎曲時是否加熱分為熱推和冷彎兩種。熱推法是將切割完的管坯裝入芯模，用專用推制機進行連續(xù)加熱、擴徑，最后彎曲成形。冷彎成形時，管子的一半臥于彎管機的槽內(nèi)，另一半被帶槽的小滾輪壓住，管子受推力使盤狀彎模從動旋轉(zhuǎn)而將管子推制成形。 

 對于化工管道中的不銹鋼彎頭，一般允許的彎頭減薄量要求控制在巧%以內(nèi)。從上面兩表可以看出，熱推工藝加工的彎頭基本可以保證合格，而冷彎的彎頭壁厚改變量則較不穩(wěn)定。熱加工工藝的壁厚減薄員明顯低于冷加工工藝。

  就熱推的彎頭來講，41點也就是熱推的末端內(nèi)彎處的增厚星是最大的，這是由熱推的工藝決定的。熱加工工藝彎頭壁厚改變規(guī)律是:從21點至41點壁厚逐漸增厚，且同一截面內(nèi)彎處的壁厚改變量大于外拱處的壁厚改變最。對于冷彎的不銹鋼彎頭，它的壁厚最大處發(fā)生在1點，即45°內(nèi)彎處，而兩端的壁厚值近似對稱分布，這也是符合冷彎成型規(guī)律的。它在同一截面處同樣是內(nèi)彎處的壁厚增加最大于外拱處的減薄量。

二、不銹鋼彎頭應(yīng)力的有限元分析

  按不銹鋼彎頭最大減薄星分別為5%,15%,25%,30%建立模型，與均勻壁厚模型的應(yīng)力分布情況進行比較，考慮彎頭減薄對彎頭受力的影響。

  1. 有限元模型的建立

  不銹鋼彎頭模型采取一端加直段封頭另一端加約束的模式，管材選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(20#鋼)，管件內(nèi)壓載荷取4 MPa，只考慮彎頭在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力狀況。由不銹鋼彎頭結(jié)構(gòu)本身的對稱性和所受載荷的對稱性，選取通過彎管軸線和內(nèi)外拱線的縱向截面的1/2結(jié)構(gòu)為計算模型，選用solid45單元進行計算。共建立8個模型，如表所示。

  2. 網(wǎng)格劃分

  通常在應(yīng)力比較大或應(yīng)力變化比較大的區(qū)域，有限元網(wǎng)格應(yīng)比較密。通過分析可知，不銹鋼彎頭內(nèi)彎側(cè)應(yīng)力比較大，而直管與封頭連接處由于形狀不連續(xù)，所以這兩處網(wǎng)格劃分較密。本文采用ANSYS程序進行有限元計算，網(wǎng)格劃分如圖所示。

 3. 模型的邊界條件和載荷

  由于只考慮內(nèi)壓載荷的作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，在彎頭對稱面處加以對稱的位移約束，而在管子右端施加一個等效壓力載荷。此拉應(yīng)力相當于在內(nèi)壓作用下封頭對連接管產(chǎn)生的軸向平均拉應(yīng)力。

 4. 計算結(jié)果及分析

   本文采用Tresca當T，Y應(yīng)力來表示不銹鋼彎頭的應(yīng)力分布狀況。當最應(yīng)力的最大值一般位于物體的表面，所以本文只給出彎頭內(nèi)表面應(yīng)力分布結(jié)果。

   由于均勻壁厚的不銹鋼彎頭應(yīng)力分布規(guī)律是一致的，所以本文只給出5#管的應(yīng)力分布圖，如圖3所示。可以看出，均勻壁厚彎頭的最大應(yīng)力點發(fā)生在內(nèi)彎處，應(yīng)力數(shù)值由內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)逐漸減小，且沿彎曲半徑方向變化不大。

  對于不等厚彎頭，外拱處的減薄員對其應(yīng)力分布的影響是很明顯的，圖分別示意了外拱減薄量為5%,15%,25%,30%情況下彎頭的應(yīng)力分布。不等厚彎頭的橫截面是橢圓形截而，由圖4-7可以看出不等厚彎頭橫截而上彎頭弧段各角度橫截面上的應(yīng)力分布是不同的。隨著壁厚減薄量的不斷增加，最大應(yīng)力位置由內(nèi)彎處逐漸向外拱處轉(zhuǎn)移。

三、結(jié)論

   1. 實際不銹鋼彎頭的減薄規(guī)律符合工藝性能。

   2. 熱推不銹鋼彎頭減薄情況好于冷彎彎頭。

   3. 等厚彎頭的最大應(yīng)力點在內(nèi)弧45°截面處，且應(yīng)力分布符合內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)逐漸減小的規(guī)律。

   4. 不等厚彎頭隨著壁厚減薄員的增加，最大應(yīng)力點向外弧處轉(zhuǎn)移。這也說明了實際生產(chǎn)中，彎頭的破壞有時會發(fā)生在外弧側(cè)的原因。

   5. 通過上面的模型分析，可以看出在不銹鋼彎頭減薄最小于15%時，應(yīng)力最大值依然是在內(nèi)彎處，這也可以驗證化工設(shè)備中要求彎頭減薄最小于15%是合理的。