彎管廣泛應(yīng)用于鍋爐、石油化工、航空航 天等各種壓力容器中,是管道系統(tǒng)的重要組成部分。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,管道的安全應(yīng)用越來越受到工程輕量化的重視,而作為管道系統(tǒng)的重要構(gòu)件,彎管的研究也受到越來越多的關(guān)注。
彎管的形狀和結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜,而且工程中使用的彎管受力復(fù)雜,對彎管進(jìn)行準(zhǔn)確的力學(xué)分析是進(jìn)行彎管設(shè)計制造和結(jié)構(gòu)可靠性分析的重要前提。而在彎管處進(jìn)行帶壓開孔,則存在諸多的安全隱患。管道的維護(hù)及建設(shè)工程中,帶壓開孔工程必須要在彎管處進(jìn)行帶壓開孔,則要進(jìn)行對彎管的材質(zhì)及建設(shè)時的藝進(jìn)行全面了解,才能對彎管開孔作出準(zhǔn)確的判斷。
在天然氣高壓管道建設(shè)和維護(hù)作業(yè)中,通常采用彈性敷設(shè)、現(xiàn)場冷彎彎管或熱煨彎管改變管道的走向。管道經(jīng)過彎曲處理后,其管壁會發(fā)生強(qiáng)度及厚度的變化,還會因為變形其內(nèi)部形成新的內(nèi)應(yīng)力。
管道在建設(shè)過程中,如采用彎制管道的方法,則管道的內(nèi)側(cè)管壁受壓力,由于擠壓作用管壁由直線形變成圓弧形,管壁由于壓縮變短而增厚。而管道的外側(cè)管壁受拉力,由于拉伸作用管壁由直線形變成圓弧形,管壁由于拉伸變長而減薄。管壁減薄會使強(qiáng)度降低,為保證管壁減薄后仍有足夠強(qiáng)度,要求管壁有一定厚度,在彎曲段管壁減薄應(yīng)盡量保持其均勻性彎曲。
在天然氣高壓管道彎制過程中,根據(jù)質(zhì)量守恒可以得到以下公式:
φ*(r+D/2)*δ1=φrδ0 公式中:
φ為彎曲角度,rad
r為曲率半徑,mm
D為外直徑,mm
δ1為彎曲后外側(cè)管壁壁厚,mm
δ0為彎曲前管道管壁壁厚,mm
在對彎管進(jìn)行帶壓開孔前,彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)中,管徑的大小由流體的流量及工作溫度有關(guān),彎管的彎曲度一般由經(jīng)驗確定。在對彎管力學(xué)分析中,傳統(tǒng)的分析方法都做出了一定的簡化假設(shè),與彎管的實際工作狀態(tài)存在一定的出入。流體流經(jīng)彎管時的不均勻性;流體的流速彎管的彎曲度;管徑;彎管加工缺陷產(chǎn)生的橢圓度,這些因素對彎管的受力是否存在影響,一直沒有進(jìn)行系經(jīng)充的分析與研究。
流體流經(jīng)彎管時,彎管內(nèi)壁與流體相互作用,內(nèi)壁的應(yīng)力應(yīng)與流體一致。從流體動力學(xué)的角度出發(fā),對彎管內(nèi)流體的應(yīng)力、流速、壓力進(jìn)行了分析研究,并由來自流體的壓力計算了彎管的應(yīng)力分布,討論了彎管結(jié)構(gòu)參數(shù):管徑、彎曲度、橢圓度、以及管內(nèi)流體的設(shè)計壓力、流速對彎管受力的影響。為彎管的設(shè)計、制造、強(qiáng)度分析和工程應(yīng)用提供了理論保證。
流體的應(yīng)力計算公式:
p=PeIJ+σ il
即流體的應(yīng)力由兩部分組成,第一部分為各向同性且與粘性無關(guān)的分量即流體壓力;第二部分與粘性有關(guān)的分量。其中:σ為粘性流體作變形運(yùn)動時,起抵抗變形的作用。
依據(jù)《先鋒管道帶壓開孔流程》中關(guān)于管道測量中有詳細(xì)方案,管道內(nèi)具有壓力的流體流經(jīng)彎管時,流體作用在彎管內(nèi)壁上的壓力分布是不均勻的,彎管內(nèi)壁外側(cè)入口附近所受壓力較大,而內(nèi)壁附近出口內(nèi)側(cè)相對較小,而且隨著流體速度的增大,內(nèi)外壁的壓力差相對增大,但速度變化對流體壓力分布影響不大。由此可見,過去對彎管強(qiáng)度分析時,將彎管內(nèi)壁所受壓力視為均勻分布,且不考慮速度影響,是存在誤差的。通過有限元法對流體進(jìn)行動力學(xué)分析,由來自流體的壓力研究彎管的應(yīng)力特性是有必要的。
在其它參數(shù)相同時,彎管管徑增大,應(yīng)力隨之增大,所以在相同條件下,管徑增大,所需壁厚增加,以滿足彎管強(qiáng)度的需要。
圓管段或圓錐管段在端口與其它圓管段或圓錐管段形成角連接時,角連接焊縫處不同管段由于變形的方向不一致而使應(yīng)力形成了一定的角度從而使得在徑向形成了合力,這個合力可以有效阻止徑向變形。
而在這種焊接彎管處進(jìn)行帶壓開孔時,由于帶壓開孔刀為圓形且在帶壓開孔機(jī)設(shè)計時的進(jìn)刀量為直管的情況下進(jìn)行切削作業(yè)的。在彎管處進(jìn)行帶壓開孔很有可能造成以下三種情況:
1.帶壓開孔刀切削焊接彎管時,對焊接的焊縫也同時進(jìn)行了切割,容易造成焊縫由于震動或存在不規(guī)則的沙眼而使焊縫斷裂,造成開孔后彎管處泄漏。
2.帶壓開孔刀在焊縫處進(jìn)行帶壓開孔作業(yè),使原來焊接處不同管段變形方向不一致所形成的合力消失,造成向內(nèi)彎曲變形或向外彎曲變形,而焊接的短節(jié)為圓形,則不能完全阻止這種變形的發(fā)生,造成彎管在焊接短節(jié)處斷裂。
3.帶壓開孔機(jī)的設(shè)計是在直管的條件下進(jìn)行,其伸縮量也是按標(biāo)準(zhǔn)的管件長度來設(shè)計。而彎管在形成一定的曲度后會增加帶壓開孔的行程,如果計算不準(zhǔn)確,則會造成帶壓開孔機(jī)的伸展量完全展開后也未能有效地鉆透彎管。簡單的說就是行程未到,因此,在帶壓開孔前應(yīng)當(dāng)對設(shè)備進(jìn)行改制和優(yōu)化。
總之,管道帶壓開孔作業(yè)的點位選擇盡量避開焊縫及彎管處,更是由于一些管道的建設(shè)年代較為久遠(yuǎn),其管道內(nèi)壁的受腐蝕情況及強(qiáng)度無法得到有效的測量和計算,因此,帶壓開孔作業(yè)選在彎管處是較為危險的,為管道系統(tǒng)后續(xù)的維護(hù)工作也將帶來隱患。而資料較為全面且能保證流體壓力及強(qiáng)度的彎管,則應(yīng)當(dāng)按照以上方法進(jìn)行帶壓開孔開孔作業(yè),但需要進(jìn)行設(shè)備的改制和優(yōu)化來完成。