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外压金属波纹管的三种失稳形式

2018-03-29 08:24:43

  金属波纹管膨胀节作为管道热补偿元件,在石化、冶金、供热、电力等被广泛地应用,经过不断探索研究,常规的波纹管膨胀节设计计算已趋于成熟。但随着社会经济的发展,新的应用的,对于波纹管膨胀节应用要求不断提高,相应的带来了许多新的问题。近年来,外压金属波纹管在供热管道中大量应用,关于承受外压的金属波纹管的设计方法,GB12777、EJMA和ASME B31.3等   相关标准中均与承受内压的金属波纹管相似。但随着供热技术进步和节能技术的应用,金属波纹管膨胀节产品口径逐渐增大,对其补偿性能指标也不断提高,外压金属波纹管产品的失效时有发生,并且出现了与内压金属波纹管有所区别的失效形式,需要对外压金属波纹管进一步研究。
  常见的金属波纹管失稳形式有平面失稳和柱状失稳两种,外压金属波纹管也可能出现类似外压圆筒的弹性失稳和塑性失效。外压金属波纹管工作时受拉伸,不会发生柱状失稳,因此失效形式可能是平面失稳或者外压失稳。
  1)平面失稳
  平面失稳指一个或多个波纹平面发生移动或偏转,变形的特点是一个或多个波纹出现倾斜或翘曲,表现为是波距变得不均匀。造成平面失稳的原因主要是由于沿子午向作用的弯曲应力过大,并在波峰和波谷形成了塑性铰。
  2)外压失稳
  金属波纹管外压稳定性是将其视为一个与其长度相同的圆筒按照压力容器规范进行校核。外压容器失稳的定义时在外压作用下筒体突然失去原有形状而被压瘪或出现博文的现象,称为外压容器的失稳。失稳形式有侧向失稳、轴向失稳和局部失稳三种。
  侧向失稳:主要承受侧向外压,变形为横截面由圆形变成波形(扁了、瘪了);
  局部失稳:局部外压,变形为局部径线由直线变成曲线;
  轴向失稳:承受轴向外压,变形为径线由直线变为曲线。
  外压金属波纹管轴向为拉伸载荷,不需要校核轴向稳定性。根据EJMA第九版4.15所述,承受外压的金属波纹管的周向稳定性是将金属波纹管与相连接的接管作为一个整体来校核。
  3)拉伸位移的影响
  通过稳定性试验和非线性有限元计算研究了金属波纹管在外压和位移同时作用下的稳定性,指出拉伸位移对金属波纹管的稳定性具有不利的影响。EJMA中平面失稳计算公式中增加了拉伸位移对   压力的影响。对于外压金属波纹管周向稳定性校核,是将金属波纹管视为轴向不发生变化的刚性外压圆筒,仅校核其径向承受外压的能力,并未考虑实际工况中金属波纹管是发生轴向拉伸位移的弹性元件,目前相关标准中没有给出理论计算方法。
  外压金属波纹管相当于一个受压力的拱梁,工作时金属波纹管拉伸,波峰的直径不变,同时,波峰为了协调变形,发生位移,在外压产生的周向压应力和径向收缩变形共同作用下,波峰处形成了塑性铰,有向下塌陷的趋势。因此,当外压和拉伸位移同时作用时,侧壁和圆弧连接处   先出现屈服,并随着载荷增加,屈服的面积逐渐扩大,在波峰处应力集中共同的作用下,波纹侧壁屈服一面出现了褶皱和波峰塌陷的局部失稳现象。

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