至德钢业有限元模型模拟分析不锈钢换热管局部屈曲与受弯承载力

  浙江至德钢业有限公司通过ABAQUS建立有限元模型，不锈钢换热管属于薄壳结构，采用shell壳单元，计算单元采用单元15个截面积分点的辛普森积分。管长16500mm，为实现不锈钢换热管在压弯过程中支座处自由椭化变形，在中间支座处用连续分布耦合模拟固定钢管的钢圈，以实现相对位移。在不锈钢焊管两端施加位移控制的边界条件，在垂直平面内提拉。通过收敛性分析单元网格尺寸控制在25mm，考虑材料塑性硬化以及大变形，分析方法采用修正算法，矩阵迭代采用完全方法，对模型进行非线性屈曲分析。至德钢业提出的有限元三维模型，要控制好边界条件，满足6个自由度的平衡，避免结构分析不收敛或出现奇异解。不锈钢焊管在受弯过程中，为避免支座效应(开张或闭合)产生反向作用力，引起局部椭化而导致钢管的承载力降低，通过调整支座固定钢圈的方向，最大程度减小钢管椭化影响。在有限元模拟中，如何模拟符合支座实际物理边界条件是需要解决的重点问题。

  通过线性回归分析可以得知有限元数值预测的模拟值能够与试验值高度拟合，该数值模型具有较高准确性，为参数分析提供了高效准确的数值模拟工具。至德钢业利用ABAQUS有限元软件建立大径厚比的不锈钢换热管数值模型。在此基础上，对大径厚比的不锈钢换热管进行参数分析，主要考虑初始几何缺陷、径厚比、残余应力以及钢材的屈服强度等参数的影响。

  1. 初始缺陷的影响

  初始几何缺陷对不锈钢换热管的受弯及变形性能的影响见图，可以看出，钢管的抗弯强度、变形能力对初始缺陷非常敏感。换热管具有较强的塑性变形能力。初始缺陷/厚度值小于0.1时，最大弯矩超过95%全塑性弯矩，远大于屈服弯矩。屈服弯矩为名义全塑性弯矩的78.6%左右。其中为名义屈服弯矩对应曲率。定义临界曲率为最大弯矩对应曲率，对于较大初始缺陷，随着缺陷幅值的增加，最大弯矩与应变变形能力显著下降。管壁较薄的不锈钢换热管在初始缺陷变化的所有情况中，最大弯矩承载力全部低于全塑性弯矩的90%。当初始缺陷取最小值(初始缺陷/钢管厚度=0.1)时，最大弯矩仅达到全塑性弯矩的86%;初始缺陷幅值继续增大，最大弯矩远小于全塑性弯矩;从弯矩–曲率图可以看出，薄壁钢管塑性变形能力极其有限。无量纲化曲率随初始几何缺陷的增加以近似对数的关系减小，变形能力对初始缺陷非常敏感(图17)。无量纲化弯矩与初始缺陷的变化近似呈线性关系。随着初始缺陷的增加，不锈钢换热管的受弯能力随着初始缺陷的增加而减小，说明钢管的受弯能力与初始几何缺陷有较大的关系，要尽量减小钢管在制作运输安装过程中由加工车间以及人工搬运过程中造成钢管较大的几何缺陷而影响受弯能力。

  2. 残余应力的影响

 通过比较不锈钢换热管在有、无残余应力两种状态下的弯矩–曲率图，发现不锈钢换热管具有残余应力时，其变形曲率大于无残余应力的钢管，在加载初期弹性末端，刚度存在一定程度的局部削弱，造成这样现象的原因可能是，受压区的残余压应力导致了钢管屈服滞后，较晚出现弯曲刚度失效，抗弯抵抗力未出现明显变化。对于螺旋焊缝工艺生产的钢管在某种程度上受益于残余应力。

 3. 径厚比D/t的影响

  至德钢业研究讨论不锈钢换热管的抗弯及变形能力随径厚比变化的趋势。考虑残余应力的钢管在不同径厚比时的弯矩–曲率图、无量钢化弯矩–曲率图。当径厚比D/t提高时，变形能力及转动能力显著下降;具有相同初始几何缺陷、屈服强度的钢管随着径厚比增加，峰值承载力、跨中挠度、延性、截面变形能力和相对转动能力均降低。从图可以看出，随着径厚比D/t的增加，钢管变形能力急剧减小，无量纲化曲率与径厚比的关系近似呈幂函数关系。屈服强度较低的不锈钢换热管下降趋势略大于强度较高的钢管。钢管抗弯性能随着径厚比的增加而减小。不锈钢换热管弯矩与径厚比的关系近似为线性关系。随着径厚比增加，钢管跨中受弯能力减小。在生产中，可以根据设计及需要通过控制径厚比这一变量来满足强度及变形的需要。

 4. 屈曲破坏形式与径厚比D/t的关系

  超大口径螺不锈钢换热管的局部屈曲破坏形式与钢管的径厚比有较大的关系。有限元数值模拟钢管局部屈曲破坏形式，四根钢管具有相同屈服强度、口径、初始几何缺陷，径厚比分别为65，66，116，118。具有较小径厚比的钢管，屈曲破坏模式呈向内凹陷破坏或鼓曲破坏，由钢管中央区域一部分较宽的主屈曲及钢管受弯平面内主屈曲两端的副屈曲组成，具有较好的塑性及较好的变形能力，跨中截面最大弯矩接近全塑性弯矩，局部屈曲限制了不锈钢换热管受弯形变的进一步变形能力，未能在跨中形成塑性铰。对于具有较高径厚比的钢管，局部屈曲的破坏模式呈向内的凹陷褶皱模式，破坏较锐利，局部屈曲破坏波长较短，除了两边的副屈曲，还有额外的第三屈曲区域，变形能力较差。当跨中截面出现局部弯矩集中，应力高度集中，受弯到最大极限时，受局部屈曲破坏影响，承载力急剧下降，体现出较差的变形能力、延性。有限元的破坏模式与试验屈曲破坏良好的吻合。

 5. 材料屈服强度fy的影响

  通过控制初始几何缺陷变量(分别为0.01，0.05，0.1，0.15，0.2五个初始缺陷幅值)，不锈钢换热管曲率与钢管屈服强度的关系曲线见图。可以看出，钢管变形能力随屈服强度的增加而降低，近似为幂函数的关系。对于较低径厚比的厚钢管影响较大。

  不锈钢换热管弯矩与屈服强度的关系曲线见图28，从图28可知，钢管抗弯变形能力随屈服强度的增加而有所降低，不锈钢换热管弯矩与钢材屈服强度的关系近似为线性关系。

  浙江至德钢业有限公司介绍了超大口径，大径厚比的不锈钢换热管的四点受弯试验方案及加载机制，对13根大直径不锈钢换热管进行了研究。讨论了边界条件、几何参数等对试验结果的影响。同时介绍了有限元模型的建立与工作机制，通过借助有限元软件建立数值模型分析15根钢管来研究材料、几何等参数对钢管抗弯性能的影响。得出以下结论:

  1. 所有不锈钢换热管都是由局部屈曲破坏引起的失稳。通过参数分析，钢管的最大弯矩承载力与径厚比有极大的关系。管壁较薄、径厚比较高的薄壁钢管屈曲破坏更加突然，塑性变形能力有限，最大抗弯承载力略高于屈服弯矩，远低于全塑性弯矩。相反地，径厚比较低，管壁较厚的不锈钢换热管具有极强的塑性变形能力，局部屈曲破坏比较平缓，有渐进的过程。

  2. 不锈钢换热管变形能力以及弯矩承载力与初始几何缺陷有极大的关系。随着初始几何缺陷的增加，钢管变形曲率与抗弯承载力迅速降低。降低幅度与径厚比有较大关系，对于径厚比较大的不锈钢换热管，在生产、预制及应用过程中要加强对初始几何缺陷的控制。

  3. 通过对比，有残余应力的钢管变形能力优于无残余应力的钢管。在螺旋焊缝管的屈曲破坏中，屈曲破坏位置与预期判断孑然相反，局部屈曲并未发生在边界条件发生变化的螺旋焊缝处，说明螺旋焊缝对钢管局部屈曲破坏的位置并没有决定性的作用及影响，局部抗弯承载力与直焊缝管表现无较大差别。

  4. 不锈钢换热管材料性能对钢管的抗弯承载力有较大的影响。不锈钢换热管的均一化曲率与均一化弯矩随着屈服强度的提高而降低。屈服强度越高的换热管，最大跨中弯矩也越大，但临界曲率却越小。