Методика оценки напряженно-деформированного состояния конструкций компенсаторов с гнутыми отводами

Размещено на http://www.allbest.ru

Уфимский государственный нефтяной технический университет Россия,

Методика оценки напряженно-деформированного состояния конструкций компенсаторов с гнутыми отводами

Габбасова А.Х., кандидат технических наук, доцент доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»

Жаксылык Л., магистрант 2 курс, факультет «Механический факультет

Аннотация

Статья посвящена тому что в настоящее время обычно задаются размерами компенсатора и проводят расчет на прочность. Зачастую в этом случае напряжения, возникающие в компенсаторе, значительно меньше допускаемых, т.е. несущая способность используется не полностью и, как следствие, компенсаторы имеют излишний запас прочности. Это ведет к увеличению толщины стенки и стоимости трубопровода. Поэтому оптимизация размеров компенсаторов с целью полного использования их несущей способности и уменьшения расходов является весьма актуальной задачей.

Ключевые слова: гнутый компенсатор, анализ напряженно-деформированного состояния, анализ разброса и концентрации напряжений.

Annotation

The article is devoted to the fact that currently the dimensions of the compensator are usually set and a strength calculation is carried out. Often in this case, the stresses arising in the compensator are significantly less than the permissible ones, i.e. the bearing capacity is not fully used and, as a result, the compensators have an excessive margin of safety. This leads to an increase in the wall thickness and cost of the pipeline. Therefore, optimizing the size of compensators in order to fully utilize their bearing capacity and reduce costs is a very urgent task.

Key words: bent compensator, stress-strain state analysis, stress dispersion and concentration analysis.

Проектирование трубопроводов, работающих в условиях нестационарного температурного нагружения, должно предусматривать компенсацию температурных деформаций. Для этого в трубопроводной системе устанавливают специальные устройства, называемые компенсаторами. В настоящее время обычно задаются размерами компенсатора и проводят расчет на прочность. Зачастую в этом случае напряжения, возникающие в компенсаторе, значительно меньше допускаемых, т.е. несущая способность используется не полностью и, как следствие, компенсаторы имеют излишний запас прочности. Это ведет к увеличению толщины стенки и стоимости трубопровода. Поэтому оптимизация размеров компенсаторов с целью полного использования их несущей способности и уменьшения расходов является весьма актуальной задачей.

Разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния конструкций компенсаторов с использованием, кроме стандартного расчета объекта согласно ГОСТ 32569-2013[1], как упругой стержневой системы (УСС), также с использованием конечно-элементного анализа, как оболочковой конструкции (ОК), реализованного в ПК «Компас 3D», позволяющая максимально использовать несущую способность компенсаторов.

Произведено построение различных моделей гнутых компенсаторов по схемам, показанным на рисунке 1. Далее проведен расчет на различных конструкциях при увеличении расчетных параметров. Для примера показаны результаты расчета по схеме А с расчетными параметрами T = 350°С и Р = 3 МПа. Схемы Б - Е рассчитаны аналогичным образом. По результатам расчетов построены эпюры напряжений от всех воздействий в рабочем состоянии, распределенных по конструкции компенсатора, рассчитанного как УСС, и напряжений по Мизесу, распределенных по конструкции компенсатора, рассчитанного, как ОК (рисунок 2).

Рисунок 1 - Расчетные схемы компенсаторов А, Б, В, Г, Д, Е

деформированный несущий компенсатор

Рисунок 2 - Эпюры напряжений схемы А при T = 350 °С и Р = 3 Мпа

По результатам расчетов напряжений конструкции как УСС по схеме А с расчетными параметрами T = 350 °С и Р = 3 МПа видно, что амплитуда напряжении варьируется от 23,23 МПа на участке 4-10 и 10-5 после отвода до 93,22 МПа на отводе 3. Разброс напряжений А составляет 69,99 МПа. По результатам расчетов напряжений конструкции как ОК видно, что амплитуда напряжений варьируется от 10,18 до 37,01 МПа. Разброс напряжений А - 26,83 МПа. Наибольшие напряжения в амплитуде от 29,31 - 37,01 МПа возникают на отводах. Причем на отводе 2 - 76,35 МПа, на отводе 3 достигает - 93,22 МПа, на отводе 4 - 92,39 МПа, на отводе 5 - 78,48 МПа.

В отличие от результатов расчета по стандартной методике, в ПК «Компас 3D» можно более детально рассмотреть повышение напряжений возникающие на отводах, которые представлены на рисунках 3, 4.

Рисунок 3 - НДС внутренней стороны отвода, с наружной стороны трубы, в зоне максимальных напряжений

Рисунок 4 - НДС внешней стороны отвода, с наружной стороны трубы, в зоне максимальных напряжений

Так, при повышении расчетных параметров заметно пропорциональное увеличение размера зон высоких напряжений на всех сторонах отвода с максимальной концентрацией напряжений компенсатора А. В компенсаторе Б наблюдается слабое увеличение их размера на всех сторонах отвода. И в компенсаторе В заметно сильное увеличение их размеров. При различных значениях давлений 0,5, 2, 3 МПа на внешней стороне сгиба одного из самых напряженно-деформированных отводов конструкции компенсатора А разброс напряжений составляет 3,40, 12,78, 19,17 МПа, соответственно, тогда как на внутренней стороне сгиба отвода напряжения достигают 6,16, 24,68, 37,01 МПа. На внешней стороне сгиба одного из самых напряженно - деформированных отводов конструкции компенсатора Б разброс напряжений составляет 3,42, 13,71, 20,57 МПа, тогда как на внутренней стороне сгиба отвода напряжения достигают 6,34, 25,36, 38,04 МПа. На внешней стороне сгиба одного из самых напряженно-деформированных отводов конструкции компенсатора В разброс напряжений составляет 3,24, 13, 20,79 МПа, тогда как на внутренней стороне сгиба отвода напряжения достигают 6,24, 24,98, 37,46 МПа. В результате можно сделать вывод, что, наименее напряженно - деформированной конструкцией является схема Б, когда как конструкция схемы А, отличающаяся более протяженным прямым участком в начале компенсатора, является сравнительно более деформированной. Самой напряженно-деформированной конструкцией из всех рассмотре0нных при комплексной оценке является конструкция компенсатора В.

Проведен расчет разброса напряжений для всех схем по всем расчетным параметрам и коэффициентов концентрации напряжений.

Сравнительный анализ НДС конструкций компенсаторов (рисунки 5, 6), построенных по схемам А, Б, В при различных расчетных параметрах показал, что при температуре 50 °С при повышении давления от 0,5 МПа до 2 и 3 МПа коэффициенты концентрации напряжений в конструкции В снижаются от 12 до 2. Это можно объяснить тем, что уровень напряжений на участках всей конструкции при высоких давлениях приближается к уровням напряжений в отводах, как концентраторах напряжений.

Рисунок 5 - Графики схем А, Б, В, в зависимости коэффициента концентрации напряжений от температуры при а - 0,5 МПа, б - 2 МПа, в - 3 МПа

Рисунок 6 - Графики схем А, Б, В, в зависимости коэффициента концентрации напряжений от давления при а - 50 °С, б - 250 °С, в - 350 °С

Установлено, что при температуре 50 °С наиболее равномерная картина напряжено-деформированного состояния и наиболее низкие напряжения наблюдается в конструкциях компенсаторов А и Б.

При температуре 250 °С при повышении давления от 0,5 МПа до 2 и 3 МПа можно заметить, что при повышении давления снижаются коэффициенты концентрации напряжений от 20 до 3 в конструкциях А и В.

Кроме того, при температуре 250 °С наблюдается существенное повышение уровней коэффициентов концентрации напряжений, которые характеризуют неравномерность распределения напряжений по конструкции А и В. Объясняется это тем, что компенсация высокой температуры приводит к резкой концентрации напряжений в отводах. Наиболее равномерная картина напряжено-деформированного состояния и наиболее низкие напряжения наблюдается в конструкции компенсатора Б.

При температуре 350 °С при повышении давления от 0,5 МПа до 2 и 3 МПа коэффициенты концентрации напряжений также снижаются от 19 до 3 в конструкциях А, Б и В. Наблюдается существенное повышение уровней и напряжений и коэффициентов концентрации напряжений из -за резкой концентрации напряжений в отводах.

Однако по сравнению с температурой 250 °С даже некоторое уменьшение неравномерности распределения концентрации напряжений, к примеру, в конструкции В, в которой уровень напряжений на участках всей конструкции при высоких давлениях в целом приближается к уровням напряжений в отводах, как концентраторах напряжений. При максимальной из рассмотренных температуре 350 °С наиболее равномерная картина напряжено-деформированного состояния и наиболее низкие напряжения наблюдается также в конструкции компенсатора Б.

Итак, моделирование и исследование НДС компенсаторов (см. рисунки 6, 7), построенных по схемам А, Б, В, при различных расчетных параметрах позволили выявить наиболее оптимальную с точки зрения напряженно - деформированного состояния конструкцию гнутых компенсаторов трубопроводных систем - схему Б.

Таким образом, подбор компенсаторов рекомендуется производить с использованием современных программных комплексов, более реально моделирующих конструкцию трубопроводной системы, в отличие от стандартной методики, рассматривающей ее, как упругую стержневую систему. Причем оценку проводить необходимо не только на основе анализа эпюр напряжений, но также с учетом неоднородности напряженно- деформированного состояния, как на прямолинейных участках конструкции, так и в местах поворота - гнутых его отводах, более детально провести анализ уровня напряжений, возникающих в отводах, отдельных его областях, в том числе отдельно внутренней и внешней сторонах отвода, так как эта программа модель компенсатора рассматривает именно как оболочковую конструкцию.

Использованные источники

1 ГОСТ 32569-2013. Трубопроводы технологические стальные.

Требования к устройству и эксплуатации на взрывопожароопасных и химически опасных производствах [Электронный ресурс]. - URL: https://docs.cntd.ru/document/ 1200111138 (дата обращения: 015.06.2022).

Размещено на Allbest.ru