Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор исследований условий эксплуатации, напряженного состояния и прочности сосудов давления с патрубками 11
1.1. Условия эксплуатации, особенности конструирования и характеры отказа сосудов давления с патрубками 11
1.2. Методы исследования напряженного состояния тонкостенных штуцерных узлов 13
1.3. Анализ инженерных методик расчетной оценки напряженного состояния штуцерных узлов 17
1.4. Методы исследования несущей способности штуцерных узлов 23
1.5. Анализ применимости теории тонких оболочек при численном исследовании напряженного состояния штуцерных узлов 24
1.6. Исследование рациональных форм и конструктивного оформления штуцерных узлов сосудов давления 27
1.7. Основные выводы и постановка задачи 30
2. Расчетные исследования объемного напряженного состояния штуцерных узлов 32
2.1. Методические основы метода конечных элементов при исследовании осесимметричного напряженно-деформированного состояния 32
2.2. Напряженное состояние эллиптических днищ с патрубками и сферических днищ с патрубками, выполненными с торообразным переходом 38
2.3. Несущая способность сферических днищ с патрубками 47
3. Расчетные исследования штуцерных узлов разной конструкции, основанные на теории тонких оболочек 54
3.1. Методические основы МКЭ в теории тонких оболочек, реализованного в программном комплексе ТУ ПРОК 54
3.2. Границы применимости теории тонких оболочек при расчетах напряженного состояния сферического днища в зоне штуцерного узла, выполненного с торообразным переходом, и эллиптических днищ с патрубками 59
3.3. Сравнительные исследования напряженного состояния эллиптических днищ в зоне штуцерных узлов, выполненных с накладным кольцом и с монолитной вставкой 67
3.4. Вариантные исследования напряженного состояния цилиндрической оболочки с примыкающим патрубком 91
4. Экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности несущих элементов эллиптических днищ с патрубками 96
4.1. Техника и методика эксперимента 96
4.2. Влияние реальной формы элементов штуцерного узла на напряженное состояние и прочность и сравнительный анализ напряженного состояния двух конструкций штуцерных узлов 108
4.3. Сравнительный анализ прочности штуцерных узлов с накладными кольцами и с монолитными вставками 130
4.4. Пластическое деформирование эллиптического днища в процессе на-гружения внутренним давлением до разрушения 137
5. Инженерная методика расчета напряженного состояния оболочек со штуцерными узлами разной конструкции 149
5.1. Рациональное проектирование штуцерных узлов в эллиптических днищах 149
5.2. Графическая и аналитическая аппроксимация результатов вариантных исследований коэффициентов увеличения напряжений в цилиндрической оболочке с примыкающим патрубком 155
5.3. Графическая и аналитическая аппроксимация результатов вариантных исследований коэффициентов увеличения напряжений в эллиптическом днище с примыкающим патрубком 161
5.4. Исследование температурных полей и напряжений в зоне соединения штуцера и оболочки при разных температурах сред 166
5.5. Оценка прочности и долговечности штуцерных узлов различных конструкций
173
Заключение 183
Основные выводы 184
Литература 186
Приложения 199
- Анализ инженерных методик расчетной оценки напряженного состояния штуцерных узлов
- Напряженное состояние эллиптических днищ с патрубками и сферических днищ с патрубками, выполненными с торообразным переходом
- Сравнительные исследования напряженного состояния эллиптических днищ в зоне штуцерных узлов, выполненных с накладным кольцом и с монолитной вставкой
- Влияние реальной формы элементов штуцерного узла на напряженное состояние и прочность и сравнительный анализ напряженного состояния двух конструкций штуцерных узлов
Введение к работе
Актуальность темы- В настоящее время на химических и нефтехимических производствах находятся в эксплуатации большое число сосудов давления. Условия эксплуатации сосудов включают температурные нагрузки, параметры рабочей среды, характер и число циклов нагружения. Распространенным элементом конструкции сосудов давления являются штуцерные узлы, предназначенные для ввода и вывода рабочей среды, которые различаются по размерам и конструктивному оформлению.
Конструктивное оформление штуцерных узлов в цилиндрических, сферических и эллипсоидальных оболочках может различаться способом соединения патрубка с корпусом, типом укрепляющего элемента и распределением площади сечения укрепляющего металла между элементами конструкции (рис. 0.1). Патрубок присоединяется к эллиптическому днищу (а) или цилиндрическому корпусу (б) сварным швом или выполняется с торообразным гладким переходом от патрубка к корпусу (д). Штуцерный узел может иметь укрепляющие элементы в виде монолитной вставки (в) или накладного кольца (г) (рис. 0.1).
Как правило, самые высокие напряжения в конструкции возникают в зонах штуцерных узлов, поэтому для оценки прочности и долговечности сосудов давления при статическом и циклическом (малоцикловом) нагружен ии по современным нормативным документам необходимо знание уровня максимальных напряжений.
Вопросам исследования напряженного состояния (НС) и прочности зон штуцерных узлов посвящено значительное число публикаций. В работах Г.И. Феденко, Ю.С. Сельского, ИХ. Стрельченко, Б.А. Куранова, В.Н. Скопинского НС определяется с применением теории тонких оболочек. Объёмное НС соединений толстостенных и тонкостенных пластин и оболочек рассмотрено О.С. Зенкевичем, Ю.Д. Копейкиным и др. Прикладные аспекты рассматриваемой проблемы применительно к штуцерным узлам сосудов давления исследовались в работах М.Ф. Егорова и А.Б, Боринцева, В.Г. Кривоногова, Ф. Лаурента, В.В. Ларионова, Б.А. Масленка, Н.П. Мельникова, В.Н. Необердина, В.А. Петушкова и B.C. Стре-ляева, А.С. Слюсаренко, S.J. Brown и др.
а б
1 - днище, 2 - патрубок, 3 - сварной шов 1 - корпус, 2 - патрубок, 3 - сварной шов
] - днище, 2 - патрубок, З - монолитная вставка, 4 - сварные швы
1 - днище, 2 - патрубок, 3 — накладное кольцо, 4 - сварные швы
1 - днище, 2 - патрубок,
3 -горообразный переход от патрубка к корпусу, 4 - сварные швы
Рис. ОЛ. Оболочки сосудов давления со штуцерными узлами: а) эллиптическое днище с примыкающим патрубком, б) цилиндрическая оболочка с примыкающим патрубком, в) штуцерный узел с монолитной вставкой в эллиптическом днище, г) штуцерный узел с накладным кольцом в эллиптическом днище, д) штуцерный узел с торообразным переходом в сферическом днище
Часть публикаций касается экспериментальных методов исследования НС и прочности сосудов давления с патрубками. Исследование и оценка НС оболочек с подкрепляющими элементами в зоне отверстия отражены в работах В.Н. Ско-пинского, И.Г. Стрельченко и др.
В то же время для широкого инженерного приложения недостаточно представлены вариантные исследования НС разных конструкций штуцерных узлов и аппроксимация результатов расчетов НС приближенными зависимостями, неизвестны исследования влияния на НС отклонения формы днищ от идеальной, не учитывается влияние изменения формы днищ на прочность конструкции.
Таким образом, исследование НС и закономерностей деформирования цилиндрических и эллиптических оболочек с патрубками в процессе их нагру-жения внутренним давлением до разрушения и разработка рекомендаций, направленных на повышение прочности штуцерных узлов в наиболее распространенном диапазоне изменения соотношений геометрических размеров, является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является оценка напряженного состояния штуцерных узлов разных конструкций и разработка рекомендаций для обеспечения прочности и долговечности сосудов давления в условиях статического и циклического режимов эксплуатации с разработкой расчетных моделей, учитывающих отклонение формы оболочки от расчетной и изменение формы в процессе нагружения.
Основные задачи, решаемые для достижения поставленной цели: - экспериментальное исследование НС и прочности штуцерных узлов в эллиптических днищах с различным конструктивным оформлением и с учетом реальной формы несущих элементов; проведение вариантных исследований штуцерных узлов в эллиптических днищах и цилиндрических оболочках при различных соотношениях геометрических параметров; разработка инженерных методик оценки напряженного состояния штуцерных узлов в цилиндрических и эллиптических оболочках сосудов давления на базе вариантных исследований; - проведение вариантных.исследований для выявления границ примени мости теории тонких оболочек при оценке напряженного состояния и прочно сти в условиях циклического нагружения осесимметричных патрубковых зон с торообразным переходом; - уточнение закономерности разрушения эллиптического днища с учетом (Ш изменения формы при нагружении; разработка инженерной методики оценки несущей способное ти сферических днищ с осесимметричными патрубковыми зонами; разработка инженерной методики оценки НС цилиндрическое оболочки с патрубком с учетом неоднородности температурных полей в указанной зоне.
Методы исследований. Численные исследования основаны на применении метода конечных элементов (МКЭ), основанного на теории тонких оболочек и МКЭ с использованием уравнений теории упругости. При экспериментальных исследованиях напряженного состоянии использовались методы тензометрии. Прочность различных конструкций определялась испытаниями до разрушения.
Научная новизна работы: А - построены уточненные расчетные модели осесимметричных конструк- ций штуцерных узлов в выпуклых днищах, в том числе с учетом реальной формы несущих элементов; выявлены и графически представлены границы применимости методов теории тонких оболочек для штуцерных узлов с торообразным переходом в сферических днищах; предложены аппроксимирующие зависимости НС штуцерны;; узлов от конструктивных параметров в широком диапазоне их изменения, полученные на базе вариантных исследований НС;
Ш - экспериментально подтверждена предложенная уточненная методика расчета предельного давления для эллиптического днища, учитывающая изменение формы днища в процессе его деформирования, и предложена формула для инженерной оценки величины предельно допустимого давления для толстостенного сферического днища с патрубком; выявлены условия распределения укрепляющего металла по принципу компенсации площадей, обеспечивающие выполнение условий статической прочности; установлена зависимость перепадов температур между патрубком и корпусом от различных температур сред и коэффициентов теплоотдачи; величина этого перепада не превышает половины разности температур сред патруб-
Ш ка и корпуса.
Практическая значимость результатов исследования:
Выявленные зависимости характеристик напряженного состояния упруго деформируемых цилиндрических корпусов и эллиптических днищ с примыкающими патрубками от их геометрических характеристик позволили упростить расчетное обоснование статической, циклической и хрупкой прочности сосудов давления на этапе проектирования.
Предложены дополнительные конструэстивные требования, обеспечивающие выполнение условий прочности штуцер їого узла.
Оценка границ применимости теории оболочек обосновывает возможность расчета напряженного состояния осесимметричных конструкций по методикам, основанным на теории тонких оболочек.
Выявлены зависимости напряженного состояния штуцерных узлов от точности изготовления несущих элементов.
Методика определения давления текучести сферического сосуда с патрубком позволяет упрощенно рассчитать величину предельной нагрузки днища при опрессовке сосуда.
Методика определения давления разрушения эллиптического днища позволяет оценить прочность и снизить металлоемкость конструкции на этапе проектирования.
Инженерные оценки перепадов температур при разных температурах сред корпуса и патрубка позволяют, не решая каждый раз задачу теплопроводности, более точно оценивать температурные напряжения в штуцерном узле.
В диссертационной работе автор защищает: расчетные модели различных конструкций штуцерных узлов е. эллиптических днищах, в том числе с учетом реальной формы несущих элементов; границы применимости методов теории тонких оболочек на примере штуцерных узлов с торообразным переходом в сферических днищах; аппроксимирующие зависимости НС штуцерных узлов от конструктивных параметров, полученные на базе вариантных исследований НС; - конструктивные требования, обеспечивающие выполнение условий прочности штуцерных узлов; новую формулу предельного давления для эллиптического днища; формулу для инженерной оценки величины критического давления для сферического днища с патрубком; зависимость перепадов температур между патрубком и корпусом при различных температурах сред и коэффициентах теплоотдачи.
Внедрение работы. Инженерные методики расчета НС конструктивных элементов сосудов с примыкающими патрубками от их геометрических характеристик, методика определения давления текучести сферического сосуда с патрубком и методика оценки остаточного ресурса сосудов давления в зависимости от их НС внедрены в ОАО "ИркутскНИИхиммаш", а также использованы при оценке прочности и выдаче заключений экспертизы промышленной безопасности для оборудования, находящегося в эксплуатации в ОАО "Ангарская нефтехимическая компания", ОАО "Иркутскоблгаз", ОАО "Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат", ОАО "Целлюлозно-картонный комбинат" (г. Братск), что подтверждается актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции ИрГУПС «Динамика подвижного состава и тяга поездов» (Иркутск, 1998г.), I и II международных конференциях «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ 2000г., 2003г.), 4-ой Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербург, 2001г.), XXIII Российской школе по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, 2003 г.), научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (Астрахань, 2002г., 2004г.).
Публикации. По материалам диссертации имеется 18 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Общий объем работы — 198 страниц, включая 24 таблицы, 82 рисунка и список литературы из 151 наименования. Приложения на 39 страницах содержат результаты экспериментальных и расчетных исследований и акты внедрения.
В первом разделе дается литературный обзор исследований, касающихся разработки методов оценки напряженного состояния и прочности оболочек с патрубками с различным конструктивным оформлением штуцерных узлов в условиях статического и циклического нагружения. На основании обзора сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во втором разделе рассмотрены методические основы МКЭ в теории упругости при исследовании осесимметричного НС штуцерных узлов в вып/клых днищах, приведены результаты численных исследований НС эллиптических днищ с примыкающими патрубками и сферических днищ с торообразным переходом между днищем и патрубком, определенного с применением МКЭ.
В третьем разделе изложены методические основы МКЭ в теории тонких оболочек, реализованного в программном комплексе ТУПРОК, приведены исследования по выявлению границ применимости теории тонких оболочек при расчетах НС сферического днища в зоне штуцерного узла, выполненного с то- рообразным переходом, сравнительные исследования НС эллиптических днищ в зоне штуцерных узлов, выполненных с накладным кольцом и с монолитной вставкой, а также вариантные исследования НС цилиндрической оболочки с примыкающим патрубком.
В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных на моделях в целях проверки правильности расчетных схем и допущений, принятых при создании расчетных моделей конструкций штуцерных узлов с разными укрепляющими элементами, а также для определения влияния конструктивных факторов на величину и характер распределения деформаций и напряжений в штуцерном узле. Исследования проводились автором в отделе изготовления емкостного и экспериментального оборудования ОАО «ИркутскНИИхиммаш».
В пятом разделе приведены разработанные на основе вариантных исследований инженерные методики расчета напряженного состояния оболочек со штуцерными узлами разной конструкции при различных соотношениях геометрических параметров. Разработанные методики применены для оценки прочности сосудов давления в условиях статического и циклического нагружения, для оценки хрупкой прочности, а также при наличии неоднородности температурных полей в зонах соединения патрубка и оболочки.
На основе проведенных исследований автором предложены конструктивные рекомендации, направленные на обеспечение прочности и долговечности сосудов со штуцерными узлами.
Работа выполнена в Иркутском государственном университете путей сообщения и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Автор выражает благодарность Генеральному директору ОАО "ИркутскНИИхиммаш", действительному члену РИА, профессору, д.т.н, A.M. Кузнецову и сотрудникам ОАО "ИркутскНИИхиммаш" за поддержку и помощь в работе.
Анализ инженерных методик расчетной оценки напряженного состояния штуцерных узлов
Для оценки напряженного состояния элементов сосудов чаще всего используются расчетные методы, в основе которых лежит теория тонких оболочек [70]. В соответствии с этой теорией предполагается, что распределение напряжений по толщине стенки в любом элементе оболочки подчиняется линейному закону и может быть представлено как результат действия на него продольных и поперечных усилий, а также изгибающих моментов.
Данные натурной тензометрии показывают [116], что в зоне стыка цилиндрических оболочек (случай Т-образного соединения) напряженное состояние слабо изменяется в окружном для патрубка направлении. Учитывая это свойство, Г.И. Феденко [116] предложил приближенные выражения для максимальных напряжений в зоне патрубка, сопряженного с тонкостенным корпусом сосуда давления (цилиндрическим, коническим, сферическим, эллиптическим):
Рассматривая условия статического и кинематического сопряжения, Г.И. Феденко принял, что на линии сопряжения реализуется подвижное защемление оболочек. Это означает не только равенство углов их поворота, но и равенство этих углов нулю. Полученные расчетные формулы оказались весьма просты и для ряда сочетаний конструктивных параметров дают результаты, близкие к результатам натурной тензометрии [116]. Позднее это решение было перенесено на случай тонкостенных цилиндрических патрубков, пропущенных внутрь сосуда [13]. Расчётных исследований, направленных на выявление границ применимости полученных приближенных выражений, работа [116] не содержала.
Более строгая постановка задачи о напряженном состоянии пересекающихся тонкостенных оболочек вращения используется в работе Ю.С. Сельского [91]. В этом случае для определения значений напряжений необходимо решить систему из четырех линейных алгебраических уравнений относительно констант, входящих в выражение общего решения.
Весомый вклад в исследование напряженного состояния Т-образно пресекающихся цилиндрических оболочек внес И.Г. Стрельчен ко с соавторами [102 — 108]. Теоретические исследования полей напряжений в окрестности пересечения труб авторы описывали с помощью теории тонких цилиндрических оболочек, при выводе основных соотношений которой использовали гипотезу Кирхгофа-Лява. Предполагалось, что напряжения в трубах не превышают предела упругости. При этом линия пересечения оболочек считается плоской и приближенно аппроксимируется окружностью. На основной оболочке вводится полярная система координат, в которой записываются основные соотношения и разрешающие уравнения. Напряженно-деформированное состояние узла пересекающихся оболочек представляется в виде безмоментного и возмущенного состояния, описываемого уравнениями теории пологих оболочек. Решение задачи ищется в виде рядов. Разрешающие уравнения, записанные относительно нормальных перемещений со( , (р) и W{p, (р) и функций напряжения Д , ф) и F(p, ф), после разделения переменных представляют систему обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами для оболочки-патрубка и систему обыкновенных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами для основной оболочки, которая может быть решена итерационным методом. Авторы предлагают решение поставленной задачи в перемещениях с последующим применением численного метода конечных разностей. Вариантное исследование уровня напряжений в штуцерных узах в указанных работах не осуществлено.
Подход, основанный на применении метода Фурье, позволил рассмотреть неосесимметричное деформирование как тел вращения, так и неосесимметрич-ных Т-образных соединений. Значительные результаты в этом направлении были получены А. Н. Гузём, И.С. Чернышенко, Вал. Н. Чеховым, Викт. Н. Чеховым и К.И. Шнеренко [23], П.П. Лукьяненко и А.Г. Макаренковым [52]. Примеры подобных исследований дают также работы К.И. Шнеренко и Ю.М. Чемоданова [137], И.Г. Ермаковской и др. [30], В.В., Кузнецова СВ. Левякова и Ю.В. Сойникова [41, 42], Ю.В. Головешкина [19] и др. Исследование полей напряжений в зависимости от значений основных параметров в указанных работах также отсутствует.
Результаты, важные для практических приложений, были получены Б.А. Курановым с сотрудниками [44 - 47]. Отличительной чертой этих работ является применение полуаналитического подхода к решению уравнений теории деформирования осесимметричных оболочек. В случае неосесимметричного на-гружения решение по окружной координате оболочки вращения разлагается в ряд Фурье, а по меридиональному направлению осуществляется конечно-элементная (КЭ) аппроксимация. В тех случаях, когда построение собственных функций дифференциальных операторов задачи затруднено, эффективным, но более трудоемким, оказался метод рядов, дополненный применением вариационных принципов [117]. Указанные работы позволили создать широко применяемый программный комплекс ТУ ПРОК [47].
В работах В.Н. Скопинского [95, 98] приведены результаты исследований напряженного состояния эллиптических днищ с патрубками при нагружении внутренним давлением и при термосиловом нагружении. Конечно-элементная модель соединения днище-патрубок строится на базе геометрических соотношений, полученных для линии пересечения срединных поверхностей оболочек. Конечно-элементная сетка является нерегулярной, вблизи линии пресечения используются элементы относительно малых размеров. Автором рассмотрены как штуцерные узлы с центральным патрубком (ось патрубка проходит через полюс эллипсоида), так и с патрубком, смещенным относительно оси сосуда. Выявлены особенности напряженного состояния указанной конструкции [99]. Исследование НДС осуществлялось при этом для идеальной формы (цилиндр, эллипсоид) несущих элементов штуцерного узла, не учитывающей отклонений формы этих элементов от идеальной, возникающих при реализации технологического процесса изготовления реального сосуда.
Применение МКЭ в постановке теории тонких оболочек [34, 93, 99] позволило проанализировать влияние, которое оказывают на напряженное состояние конструкции монолитные вставки и накладные кольца, применяемые для укрепления отверстий. Так в работе В.Н. Скопинского [99] с помощью конечно-элементной модели на основе теории тонких оболочек исследовано влияние относительной толщины накладного кольца эллиптического днища на максимальные эквивалентные и мембранные напряжения в патрубке и днище, отнесенные к номинальному напряжению днища а0. Указанное исследование выполнено для одного соотношения диаметров и толщин патрубка и корпуса dlD = 0,081, hlH= 0,85, что существенно ограничивает практическое применение предложенных в работе [99] графиков (рис. 1.2).
Напряженное состояние эллиптических днищ с патрубками и сферических днищ с патрубками, выполненными с торообразным переходом
Публикация [119, Ш] посвящены оценке влияния распределения укрепляющей площади на напряженное состояние штуцерного узла в сферическом днище. Предложена зависимость максимальных эквивалентных напряжений сгв сферическом днище от отношения F\IF, где F\ - компенсирующая площадь в патрубке, F— общая площадь компенсации отверстия в соответствии с нормами [76]. В работах сделан вывод о том, что укрепляющий металл целесообразно распределять между патрубком и днищем примерно поровну.
Вопрос о рациональной, с точки зрения величины коэффициента концентрации напряжений, конструкции цилиндрической оболочки с патрубком рассмотрен И.Г. Стрельченко в работе [109]. С помощью численного эксперимента по методике, предложенной в работе [104], выявлено, что ни увеличение толщины примыкающей оболочки-патрубка, ни пропуск его внутрь основной оболочки не оказывают существенного влияния на уменьшение значений коэффициента концентрации напряжений. Поэтому авторы ставят задачу об определении НДС узла пересекающихся цилиндрических оболочек переменной толщины. По результатам численного эксперимента сделан вывод о том, что предпочтительной как в весовом отношении, так и в отношении величины коэффициента концентрации напряжений является конструкция, состоящая из основной оболочки постоянной толщины и оболочки-патрубка линейно-переменной толщины.
Авторами публикации [67] предложен способ изготовления цельноштам-пованных патрубков, которые, по их мнению, наиболее полно удовлетворяют требованиям надежности и долговечности оборудования энергетических установок. Преимуществами данного метода изготовления по сравнению с традиционным способом приварки патрубков к обечайке являются - отсутствие сварки и необходимости термообработки для снятия свароч ных напряжений, — отсутствие сварных швов, а значит и сварочных дефектов, в зоне мак симальной концентрации напряжений. Обоснованию снижения концентрации напряжений в месте пересечения цилиндрических оболочек при нагружении внутренним давлением посвящена работа [7]. При этом величина радиуса сопряжения цилиндрических оболочек и толщина оболочки приняты постоянными. Окончательную форму оболочки выбирали в соответствии с формой срединной поверхности, которую принимала исходная оболочка при нагружении внутренним давлением. Проанализированные в этом пункте результаты исследований, полученные различными авторами, позволяют сделать следующие выводы. Исследование конструктивных форм штуцерных узлов осуществлено в настоящее время как с позиций их прочности в условиях статического нагружения, так и с точки зрения обеспечения их усталостной прочности. В то же время известные исследования носят фрагментарный характер и не покрывают весь практически важный диапазон изменения их основных конструктивных параметров. Несмотря на большое количество проведенных исследований, нарушение прочности штуцерных узлов остается наиболее частой причиной выхода из строя сосудов давления. Это связано с тем, что в настоящее время закономерности деформирования и разрушения штуцерных узлов различных конструкций изучены недостаточно полно. Анализ результатов исследований различных авторов позволил сделать два вывода: 1. К недостаточно изученным и практически важным направлениям, касающихся рассматриваемой проблемы, относятся следующие: - разработка инженерных методик оценки напряженного состояния штуцерных узлов на этапе проектирования; - оценка влияния на напряженное состояние реальной формы несущих элементов и конструктивного оформления штуцерного узла; - оценка несущей способности сферических днищ с патрубками; - исследование особенностей деформирования основных типовых конструкций, в частности штуцерных узлов с торообразной вставкой; - исследование границ применимости приближенных численных методик, применяемых при оценке прочности штуцерных узлов в условиях циклического нагружения; - разработка инженерных методик оценки влияния неоднородности температурного поля в зоне штуцерного узла. 2. Указанные в первом выводе вопросы могут быть решены с приемлемой точностью с помощью современных численных методов, в частности МКЭ (в теории тонких оболочек и в теории упругости), в сочетании с их экспериментальной проверкой. Сделанные выводы позволяют сформулировать основную цель диссертационной работы: сравнительная оценка прочности штуцерных узлов различной конструкции, основанная на расчетах НС с применением теории тонких оболочек в сопоставлении с методами теории упругости; разработка расчетных моделей, учитывающих отклонения формы оболочки от идеальной и изменение формы в процессе нагружения, для оценки прочности штуцерных узлов в условиях статического и циклического нагружения и разработка рекомендаций, направленных на повышение прочности сосудов давления. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: 1. Экспериментально исследовать НС и прочность штуцерных узлов в эллиптических днищах с различным конструктивным оформлением и с учетом реальной формы несущих элементов. 2. Провести вариантные исследования штуцерных узлов в эллиптических днищах и цилиндрических оболочках при различных соотношениях геометрических параметров. 3. На базе вариантных исследований в обол очечном приближении разработать инженерные методики оценки НС штуцерных узлов в цилиндрических и эллиптических оболочках сосудов давления. 4. Провести вариантные исследования для выявления границ применимости теории тонких оболочек при оценке НС и обеспечении циклической и хрупкой прочности осесимметричных патрубковых зон с торообразным переходом. 5. Уточнить закономерности разрушения эллиптического днища. 6. Разработать инженерную методику оценки несущей способности сферических днищ с осесимметричными патрубковыми зонами. 7. Разработать инженерную методику оценки НС цилиндрической оболочки с патрубком с учетом неоднородности температурных полей в указанной зоне.
Сравнительные исследования напряженного состояния эллиптических днищ в зоне штуцерных узлов, выполненных с накладным кольцом и с монолитной вставкой
Для решения нелинейных задач, возникающих на отдельном шаге, используется метод пошаговой линеаризации в форме, предложенной Ямадо [92, 149]. При этом на каждом шаге матрица [JD ] предполагается постоянной и определяется уровнем напряжений, возникающим на предыдущем шаге. Таким образом, решение исходной нелинейной задачи сводится к последовательности линейных задач (2.1.17)- (2.1.19), соответствующих отдельному шагу. Решение указанных задач может быть получено с помощью метода конечных элементов. Характерной особенностью этих задач является дискретная переменность матрицы [Dp] в исследуемой области в процессе пошагового приращения нагрузки. Это обстоятельство приводит к необходимости пересчёта матрицы жёсткости исследуемого узла на каждом шаге в соответствии с соотношениями (2.1.10). Величина приращения нагрузки, определяемая алгоритмом Ямадо, выбирается так, что в результате шага в пластическое состояние переходит очередной конечный элемент (или группа конечных элементов, имеющих одинаковую интенсивность деформаций), деформировавшийся на предыдущем шаге упруго и имевший наибольшую деформацию.
Проведение расчётов упругопластического состояния в зоне вводов осуществлялось с помощью программного комплекса «Solid», разработанного Б.А. Щегловым, СИ. Федотовой и Л.Б. Цвиком в Институте Машиноведения АН СССР и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Комплекс «Solid» реализует решение осесимметричной задачи теории течения, определяемой соотношениями (2.3.1) - (2.3.10), с помощью описанного выше алгоритма Ямадо. Применяется вариант МКЭ, использующий четырехугольный изопараметрический конечный элемент с прямолинейными сторонами и билинейной интерполяционной функцией [31, 119]. В соответствии с методикой Ямадо шаги приращения давления подбираются автоматически из условия появления пластических деформаций в очередном конечном элементе. Координаты узлов конечно-элементной дискре-тизации после каждого шага нагружения пересчитываются с учетом возникающих на шаге перемещений.
При численном исследовании был рассмотрен вариант узла ввода с патрубком постоянной толщины Sn (рис. 2.3.1) на сферическом днище, изготовленном из стали 09Г2С с пределом текучести 0Т = 275 МПа и пределом прочности сгв= 440 МПа. Сосуд спроектирован в ИркутскНИИхиммаше в качестве модели испытательного гидростенда высокого давления для Киевского политехнического института. Рабочее давление в сосуде составляло = 20 МПа.
Стенку цилиндрической части сосуда принимали многослойной, внутренний диаметр сферического днища DK= 1600 мм и диаметр патрубка Dn = 800 мм. В соответствии с нормами [74] значения расчетных геометрических параметров (рис. 2.3.1) составили: SK= 70 мм, Sn= 80 мм, гв= 25 мм, гн= 100 мм.
Общая высота сферического днища Н принималась такой, что характер распределения нормальных напряжений стЛ) действующих на торце патрубка, не влиял на НДС закругления кромки отверстия (т.е. на радиусе гв). Толщина многослойной цилиндрической стенки составляла 80 мм. Расчётное давление оп-рессовки сосуда рт, определяемое в соответствии с технологическими нормами [77], составляет в рассматриваемом случае 36 МПа.
При численном определении НДС в процессе нагружения использовалась конечно-элементная (КЭ) дискретизация осевого сечения сферического днища, схематически представленная на рис. 2.3 Л. Оказалось, что приемлемая для качественного анализа точность моделирования НДС достигается уже при разбивке стенки днища на 5 конечных элементов по толщине. Разбивка толщины стенки на 10 элементов уточняет значение компонент напряжений не более чем на 8%. Точность решения оценивалась также по погрешности выполнения краевых условий в напряжениях. При этом величина максимальной погрешности определения нормальных напряжений (в долях от эквивалентных напряжений в рассматриваемой точке) возникала на скруглении внутренней кромки отверстия. В случае разбивки толщины сечения на 10 конечных элементов эта погрешность не превысила 3%.
Расчеты показали, что наибольшая интенсивность напряжений возникает в поперечном сечении стенки днища, непосредственно примыкающем к зоне стыка патрубка и корпуса. Распределение напряжений по этому сечению носит изгибной характер. При повышении внутреннего давления р до 20 МПа на внутренней поверхности вблизи кромки отверстия возникает зона пластических деформаций. При р = 23 МПа зона пластических деформаций возникает и снаружи. При р = П МПа обе зоны смыкаются и захватывают все сечение стенки узла ввода. Распространение зон пластичности в процессе опрессовки представлено на рис. 2.3,2.
Таким образом, значение р = 27 МПа, соответствующее текучести всей стенки, является для исследуемого варианта критическим: при его превышении скорость роста деформаций резко возрастает. По аналогии со случаем пластических «шарниров» при изгибе балок, примем это значение в качестве предельной нагрузки р" на сферическое днище с вводом. В общем случае давление опрессовки р7 должно удовлетворять условию [рт] = Pf/n, где [рт] - допускаемое давление опрессовки сосуда, п - коэффициент запаса несущей способности днища. При проектировании сосудов без вводов указанный расчёт неявно осуществляется при определении допускаемого напряжения в соответствии с прочностными нормами [74, 16]. Приведённые результаты численного моделирования показывают, что при проектировании сосудов с вводами необходимо выполнять специальный поверочный расчет на давление опрессовки, включающий определение предельного давления р". Как и при поверочном расчете плоских крышек и других элементов сосудов значение коэффициента запаса п может в этом случае лежать в диапазоне 1,07—1,1 [74].
При расчётном значении давления опрессовки рт = 36 МПа за предел текучести переходит область сферического днища, примыкающая к патрубку и содержащая отрезок меридиана длиной до 400 мм. Максимальные накопленные пластические деформации в зоне ввода достигают при этом 3%. Столь большая величина деформации может привести к изменению формы днища и оказаться недопустимой, например, для внутренних устройств сосуда. Отметим, что деформация разрушения материала днища существенно выше 3% и достигает 16-22% [120]. Полученный результат указывает на недостаточную жесткость исследуемого конструктивного варианта на этапе опрессовки. Из зависимости величины накопленной деформации от достигнутого внутреннего давления (рис. 2.3.3) вытекает, что после достижения давления р = 27 МПа скорость роста деформации существенно возрастает и увеличивается более чем вдвое. На величину критического давление опрессовки сосуда влияют ряд конструктивных факторов, которые могут быть в полной мере учтены только при численном моделировании, применение которого достаточно трудоемко.
Для инженерной оценки жесткости днищ предложена формула для критического давления p"t при котором пластические зоны, развивающиеся с внутренней, а затем с наружной поверхности ввода, смыкаются, и несущая способность конструкции исчерпывается
Влияние реальной формы элементов штуцерного узла на напряженное состояние и прочность и сравнительный анализ напряженного состояния двух конструкций штуцерных узлов
При проектировании цилиндрических корпусов или выпуклых днищ с вводами по действующим нормам, основанным на принципе компенсации площадей, отверстие, вырезанное в стенке оболочки, считается укрепленным, если удаленный металл компенсирован дополнительным металлом патрубка и корпуса [17, 71, 73, 74]. С этой точки зрения конструкции штуцерных узлов, выполненных с накладным кольцом или с монолитной вставкой, равнозначны. Однако, для обеспечения циклической или хрупкой прочности конструкции принцип компенсации площадей является недостаточным. По современным нормам [71, 73] производится проверка прочности конструкции по напряженному состоянию ее основных элементов, которое в конструкциях с накладным кольцом или с монолитной вставкой может существенно различаться. И хотя в инженерной практике при расчете напряженного состояния узла ввода с накладным кольцом зона расположения кольца рассматривается как монолитная деталь, в действительности это разные конструкции, напряженное состояние которых должно рассчитываться по разным расчетным схемам,
В этом пункте проведены расчеты напряженного состояния и сравнительный анализ напряженного состояния эллиптических днищ с патрубками в центре днища, выполненными с двумя видами укрепления - с монолитной вставкой и с накладным кольцом. Исследования выполнены для разных соотношений диаметров патрубка и днища d/D,
Характеристика объектов исследования. Для численных исследований напряженного состояния выбрано эллиптическое днище с внутренним диаметром 450 мм, толщиной стенки 6 мм с отношением высоты к диаметру 0,25. На рис. 3.3.1 представлены конструкции эллиптических днищ, имеющие штуцерные узлы, укрепленные монолитной вставкой и накладным кольцом.
Для оценки уровня напряжений использованы отношения внутреннего диаметра ввода к внутреннему диаметру днища d/D = 0,22; 0,33; 0,44. Численные исследования НС проведены для моделей днищ, выполненных в металле.
Днище, монолитная вставка и накладное кольцо изготовлены из стали СтЗ. Патрубки диаметром 100 мм, 150 мм и 200 мм изготовлены из стали 20. Механические характеристики материалов, приведенные в табл. 3.3.1, приняты по результатам механических испытаний материалов экспериментальной модели № 2 (см. раздел 4). Допускаемые напряжения равны: для днищ - [ т]=191,4 МПа, для вставки и накладного кольца [сг]=171,4 МПа, для патрубков [сг]= 213,3 МПа, Расчетные параметры моделей сведены в таблицу 3.3.1. Допускаемое внутреннее избыточное давление для эллиптического днища определялось по формуле [16], полученной для тонкостенного эллипсоида вращения по безмоментной теории оболочек: где 7?i - радиус кривизны в вершине днища, равный внутреннему диаметру D= 450 мм для днища с отношение высоты к диаметру 0,25. Прибавка на коррозию С принята равной нулю, коэффициент прочности сварного шва рр — равным 1. Тогда допускаемое давление для рассматриваемого эллиптического днища составило [Р] = 5,07 МПа. Расчетное давление конструкции принято равным допускаемому давлению для эллиптического днища Рр = 5,07 МПа. Для этого давления определены расчетные толщины патрубков по формуле: В действительности патрубки изготовлены с толщиной стенок Si = 3 мм при d = 100 мм, Sf= 4 мм при d- 150 мм и S\ 5 мм при d 200 мм из конструктивных соображений. Допускаемое внутреннее избыточное давление для этих патрубков определялось по формуле [16]: Геометрические размеры накладок (или вставок) приняты из условия укрепления отверстия. Расчет укрепления отверстия в эллиптическом днище производился по принципу компенсации площадей в соответствии с нормативным документом [17]. Наименования расчетных величин и их значения приведены в таблице 3.3.1. при d = 150 мм 427,25 361,8, при d = 200 мм 522,56 511,8. Площадь сечения укрепляющего металла соответственно на 20%, 18% и 2 % больше площади, требуемой для выполнения условия укрепления. При этом конструктивные размеры штуцерного узла выбраны так, что в среднем по трем вариантам расчетная площадь сечения укрепляющего металла представлена на 83% металлом вставки или накладного кольца и на 17% металлом патрубка. Для более точной оценки влияния вида укрепляющего элемента (монолитной вставки или накладного кольца) на напряженное состояние и прочность конструкции укрепляющий металл размещен только в накладке (вставке) и в патрубке, т.е. стенка днища не имеет избыточного металла, участвующего в укреплении. Расчет напряженно-деформированного состояния эллиптического днища с патрубком, имеющего укрепление в виде монолитной вставки, произведен по программе ТУ ПРОК [47]. Расчетная схема конструкции включает три обол очечных элемента, которые обозначены римскими цифрами (рис 3.3.2). Патрубок моделируется элементом с прямолинейной образующей- цилиндром (I), днище - фрагментом эллипсоида вращения (III), монолитная вставка - тоже фрагментом эллипсоида вращения (II) с соответствующими углами.
Похожие диссертации на Напряженное состояние, прочность и долговечность штуцерных узлов разных конструкций в сосудах давления
