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大型90°彎頭是行業(yè)管道系統(tǒng)中常用零件之一，是管系中的薄弱環(huán)節(jié)。彎頭在工作過程中承受高溫、高壓、交變荷載，易產(chǎn)生疲勞、蠕變損傷，其運(yùn)行壽命比直管道短，其可靠與否直接影響整個(gè)管系的正常運(yùn)行。另外彎頭在制造過程中，由于制造技術(shù)的限制，在其彎曲弧段截面會不同程度地產(chǎn)生非圓截面。在同樣的荷載狀態(tài)下，圓截面彎頭和非圓截面彎頭的應(yīng)力分布及應(yīng)力狀態(tài)是不同的。受廠家委托，聚航科技以Φ356mm*55mm的90°彎頭為測試對象，進(jìn)行應(yīng)變測量和爆破試驗(yàn)，并將所得的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

試件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)

試驗(yàn)彎頭選自實(shí)物產(chǎn)品，材質(zhì)為20^#鋼，尺寸Φ356mm*55mm，彎曲半徑R=890mm，兩端各有一段200mm長直管。為便于試驗(yàn)，將彎頭兩端用平板封頭焊死。

測點(diǎn)布置及應(yīng)變測量步驟

布點(diǎn)位置選擇

彎頭是對稱殼體，故測點(diǎn)主要布置在試件外壁表面的一邊或一側(cè)，沿3個(gè)截面布片：45°截面（彎頭對稱平面），67.5°截面，90°截面；另在45°截面與67.5°截面之間等分幾個(gè)截面，多布一些片。

測點(diǎn)定位及表面處理

首先確定各測點(diǎn)的具體位置，在貼片前先對要測部位進(jìn)行打磨和清洗。對于主應(yīng)力方向不清楚點(diǎn)，采用0°、45°、90°的三向應(yīng)變花，電阻值120.4±0.3，靈敏系數(shù)2.08±1%。在已知主應(yīng)力方向的測點(diǎn)，為了測量及計(jì)算方便，采用了0°、90°的二方向應(yīng)變花，電阻值120.3±0.4，靈敏系數(shù)2.08±1%。待貼的應(yīng)變片自然干燥和烘干、接線完成后，進(jìn)行應(yīng)變測量。

試驗(yàn)壓力及試驗(yàn)步驟

先在試驗(yàn)管件中加滿水，然后用超高壓泵向管件內(nèi)壓入由50%變壓器油和50%煤油配制而成的混合油。為了消除應(yīng)變片的滯后現(xiàn)象，在應(yīng)變測量前將壓力從0緩慢上升至32MPa二次，再卸壓為0，同時(shí)，將JH應(yīng)變儀調(diào)零。然后將試驗(yàn)壓力逐級加載及卸載。*一次壓力循環(huán)：0→16→32→40→48→60→48→40→32→16→0；第二次壓力循環(huán)：0→16→32→40→48→60→48→40→32→16→0；第三次壓力循環(huán)：0→60→72→0→72→0.將試件的試驗(yàn)壓力分別穩(wěn)定在以上各壓力級下，逐點(diǎn)記錄下各測點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變值；當(dāng)卸壓為0時(shí)，則記下各點(diǎn)的零點(diǎn)漂移值。

測量結(jié)果分析

根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力，彎頭外弧側(cè)的當(dāng)量應(yīng)力較大，內(nèi)壓為32MPa時(shí)，*大當(dāng)量應(yīng)力為53.09MPa，出現(xiàn)在測量點(diǎn)16（徑向角50.6°）處；內(nèi)弧側(cè)沿徑向方向外壁當(dāng)量應(yīng)力分布比較均勻，內(nèi)壓為32MPa時(shí)，測得*大當(dāng)量應(yīng)力為41.20MPa，出現(xiàn)在測量點(diǎn)23（徑向角45°）處。

彎頭在工作壓力下的計(jì)算

彎頭在彎制過程中，其外弧側(cè)由于纖維受到拉伸作用使管壁減薄，內(nèi)弧側(cè)由于纖維受到壓縮作用使管壁增厚，同時(shí)橫截面還會發(fā)生橢圓效應(yīng)。因此，彎頭沿管壁的應(yīng)力分布不同于直管。

圓截面彎頭外壁應(yīng)力計(jì)算

由計(jì)算公式可知，工作壓力下，圓截面彎頭外壁當(dāng)量應(yīng)力的分布主要受周向應(yīng)力影響，數(shù)值由內(nèi)弧側(cè)向外弧側(cè)逐漸減小。

橢圓截面彎頭外壁應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)考慮彎頭壁厚變化時(shí)，彎頭的壁厚與該處的曲率半徑成反比，所以從內(nèi)外弧分界處開始，外弧側(cè)壁厚減薄，內(nèi)弧側(cè)壁厚增厚，其界面近似于橢圓。

根據(jù)測試公式可知，工作壓力下，橢圓截面彎頭外壁當(dāng)量應(yīng)力的分布主要受周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力影響，*大應(yīng)力出現(xiàn)在外弧側(cè)。

當(dāng)內(nèi)壓32MPa時(shí)，計(jì)算的內(nèi)外弧側(cè)當(dāng)量應(yīng)力值與內(nèi)、外弧側(cè)實(shí)測當(dāng)量應(yīng)力的*大值比較可知，工作壓力下，橢圓截面公式的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測值。說明厚壁彎頭在成型后存在由于非圓截面而造成的應(yīng)力分布不均勻問題，因此相關(guān)規(guī)范中對于高壓管道要求圓度偏差小于3%，對于中低壓管道要求圓度偏差小于5%是十分必要的。

爆破試驗(yàn)及結(jié)果分析

爆破后彎頭的外型膨脹，彎頭發(fā)生伸展，角度已大于90°。爆破口位于彎頭外弧側(cè)靠近67.5截面處，爆破口沿軸向大開口，*大開口處的裂口長寬比達(dá)8.2，斷口上有明顯的剪切唇，說明爆破為韌性斷裂，爆破壓力達(dá)157MPa，爆破安全系數(shù)n=P_b/P_n=4.91.

結(jié)論

1. 大型厚壁90°彎頭的外壁實(shí)測當(dāng)量應(yīng)力的*大值出現(xiàn)在其外弧側(cè)徑向角50.6°處。

2. 橢圓截面彎頭公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值接近，在無實(shí)測值可參考的情況下，可以利用公式對工作壓力下厚壁彎頭的*大應(yīng)力進(jìn)行初步估算。

3. 彎頭的爆破口位于彎頭外弧側(cè)，徑向角67.5°附近，這與實(shí)測當(dāng)量應(yīng)力*大位置較接近，破口呈大開口剪切唇，屬典型的韌性斷裂，爆破安全系數(shù)達(dá)到4.91.