大型90°弯头应变测量和爆破试验研究分析

大型90°弯头是行业管道系统中常用零件之一，是管系中的薄弱环节。弯头在工作过程中承受高温、高压、交变荷载，易产生疲劳、蠕变损伤，其运行寿命比直管道短，其可靠与否直接影响整个管系的正常运行。另外弯头在制造过程中，由于制造技术的限制，在其弯曲弧段截面会不同程度地产生非圆截面。在同样的荷载状态下，圆截面弯头和非圆截面弯头的应力分布及应力状态是不同的。受厂家委托，聚航科技以Φ356mm*55mm的90°弯头为测试对象，进行应变测量和爆破试验，并将所得的结果与理论计算结果进行了比较。

试件的结构和材质

试验弯头选自实物产品，材质为20^#钢，尺寸Φ356mm*55mm，弯曲半径R=890mm，两端各有一段200mm长直管。为便于试验，将弯头两端用平板封头焊死。

测点布置及应变测量步骤

布点位置选择

弯头是对称壳体，故测点主要布置在试件外壁表面的一边或一侧，沿3个截面布片：45°截面（弯头对称平面），67.5°截面，90°截面；另在45°截面与67.5°截面之间等分几个截面，多布一些片。

测点定位及表面处理

首先确定各测点的具体位置，在贴片前先对要测部位进行打磨和清洗。对于主应力方向不清楚点，采用0°、45°、90°的三向应变花，电阻值120.4±0.3，灵敏系数2.08±1%。在已知主应力方向的测点，为了测量及计算方便，采用了0°、90°的二方向应变花，电阻值120.3±0.4，灵敏系数2.08±1%。待贴的应变片自然干燥和烘干、接线完成后，进行应变测量。

试验压力及试验步骤

先在试验管件中加满水，然后用*高压泵向管件内压入由50%变压器油和50%煤油配制而成的混合油。为了消除应变片的滞后现象，在应变测量前将压力从0缓慢上升至32MPa二次，再卸压为0，同时，将JH应变仪调零。然后将试验压力逐级加载及卸载。第一次压力循环：0→16→32→40→48→60→48→40→32→16→0；第二次压力循环：0→16→32→40→48→60→48→40→32→16→0；第三次压力循环：0→60→72→0→72→0.将试件的试验压力分别稳定在以上各压力级下，逐点记录下各测点对应的应变值；当卸压为0时，则记下各点的零点漂移值。

测量结果分析

根据第四强度理论计算当量应力，弯头外弧侧的当量应力较大，内压为32MPa时，*大当量应力为53.09MPa，出现在测量点16（径向角50.6°）处；内弧侧沿径向方向外壁当量应力分布比较均匀，内压为32MPa时，测得*大当量应力为41.20MPa，出现在测量点23（径向角45°）处。

弯头在工作压力下的计算

弯头在弯制过程中，其外弧侧由于纤维受到拉伸作用使管壁减薄，内弧侧由于纤维受到压缩作用使管壁增厚，同时横截面还会发生椭圆效应。因此，弯头沿管壁的应力分布不同于直管。

圆截面弯头外壁应力计算

由计算公式可知，工作压力下，圆截面弯头外壁当量应力的分布主要受周向应力影响，数值由内弧侧向外弧侧逐渐减小。

椭圆截面弯头外壁应力计算

当考虑弯头壁厚变化时，弯头的壁厚与该处的曲率半径成反比，所以从内外弧分界处开始，外弧侧壁厚减薄，内弧侧壁厚增厚，其界面近似于椭圆。

根据测试公式可知，工作压力下，椭圆截面弯头外壁当量应力的分布主要受周向应力和轴向应力影响，*大应力出现在外弧侧。

当内压32MPa时，计算的内外弧侧当量应力值与内、外弧侧实测当量应力的*大值比较可知，工作压力下，椭圆截面公式的计算结果更接近实测值。说明厚壁弯头在成型后存在由于非圆截面而造成的应力分布不均匀问题，因此相关规范中对于高压管道要求圆度偏差小于3%，对于中低压管道要求圆度偏差小于5%是十分必要的。

爆破试验及结果分析

爆破后弯头的外型膨胀，弯头发生伸展，角度已大于90°。爆破口位于弯头外弧侧靠近67.5截面处，爆破口沿轴向大开口，*大开口处的裂口长宽比达8.2，断口上有明显的剪切唇，说明爆破为韧性断裂，爆破压力达157MPa，爆破安全系数n=P_b/P_n=4.91.

结论

1. 大型厚壁90°弯头的外壁实测当量应力的*大值出现在其外弧侧径向角50.6°处。

2. 椭圆截面弯头公式的计算结果与实测值接近，在无实测值可参考的情况下，可以利用公式对工作压力下厚壁弯头的*大应力进行初步估算。

3. 弯头的爆破口位于弯头外弧侧，径向角67.5°附近，这与实测当量应力*大位置较接近，破口呈大开口剪切唇，属典型的韧性断裂，爆破安全系数达到4.91。