Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и постановка задач исследования 15
1.1. Анализ методик прочностного расчета запорной арматуры. 15
1.1.1. Критерии оценки герметичности запорного узла при возникновении деформаций вследствие действия эксплуатационных нагрузок 15
1.1.2. Существующие критерии оценки прочности и жесткости деталей арматуры 18
1.1.3. Расчет на прочность и жесткость корпусных деталей трубопроводной арматуры .20
1.2. Характеристика численных методов расчета прочности деталей и конструкций машин 25
1.2.1. Основные положения метода конечных элементов. 25
1.2.2. Верификация программного комплекса ANSYS 28
1.3. Постановка задач исследования 34
2. Определение ндс деталей и исследование влияния деформаций корпусных деталей на герметичность затвора с использованием численных методов 37
2.1. Определение характера распределения напряжений и упругих деформаций в корпусных деталях клиновых задвижек 37
2.1.1. Построение геометрических моделей 37
2.1.2. Построение конечноэлементных моделей 42
2.1.3. Оценка качества построения конечноэлементной модели 50
2.1.4. Анализ полученных результатов 60
2.1.5. Анализ влияние деформаций корпусных деталей на выполнение условия герметичности затвора
2.2. Исследование взаимного влияния напряженно-деформированного состояния корпусных деталей клиновых задвижек на выполнение условия герметичности затвора 73
2.2.1. Исследование взаимного влияния деталей без учета контактных взаимодействий 73
2.2.2. Исследование взаимного влияния деталей с учетом контактных взаимодействий 81
2.2.3. Оценка влияния совместного деформирования корпусных деталей на выполнение условия герметичности затвора .96
2.3. Результаты и выводы по разделу 98
3. Исследование влияния дополнительных нагрузок на ндс деталей арматуры и выполнение условия герметичности затвора 100
3.1. Исследование влияния монтажных нагрузок 100
3.1.1. Построение геометрических моделей 101
3.1.2. Построение конечноэлементных моделей 102
3.1.3. Особенности моделирования болтового соединения 106
3.1.4. Анализ влияния монтажных нагрузок на НДС деталей 111
3.1.5. Анализ влияния монтажных нагрузок выполнение условия герметичности затвора 115
3.2. Исследование влияния процесса гидравлических испытаний и явления гидроудара 116
3.2.1. Влияние гидравлических испытаний пробным давлением на НДС деталей запорной арматуры и выполнение условия герметичности затвора 116
3.2.2. Исследование влияния явления гидравлического удара на напряженно-деформированное состояние арматуры 119
3.3. Анализ влияния монтажных нагрузок и процесса гидравлических
испытаний на выполнение условия герметичности затвора 1 3.4. Расчет и анализ влияния на НДС деталей арматуры и выполнение
условия герметичности затвора температурных нагрузок. 122
3.5. Результаты и выводы по разделу 125
4. Оптимизация конструкции клиновых задвижек по массогабаритным показателям . 128
4.1. Исследование зависимости напряжений и деформаций от давления рабочей среды и определение критериев оптимизации 128
4.2. Определение целевой функции для оптимизации клиновых задвижек... 133
4.3. Результаты и выводы по разделу 135
Основные результаты работы 136
Список использованных источников
- Критерии оценки герметичности запорного узла при возникновении деформаций вследствие действия эксплуатационных нагрузок
- Определение характера распределения напряжений и упругих деформаций в корпусных деталях клиновых задвижек
- Исследование влияния монтажных нагрузок
- Исследование зависимости напряжений и деформаций от давления рабочей среды и определение критериев оптимизации
Введение к работе
Для надзора за надежной и безопасной эксплуатацией технологических трубопроводов в соответствии с требованиями ПБ-03-585-03 (Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов) проводятся ревизии, в том числе ревизии и ремонт установленной трубопроводной арматуры. Сводные данные по ремонтному фонду запорной трубопроводной арматуры на предприятиях нефтегазовой отрасли, представленные на 2-ом межотраслевом семинаре "Прочность и надежность нефтегазового оборудования" [43], приведены в таблице 1.
Таблица 1
Сводные данные по ремонтному фонду запорной трубопроводной арматуры
Более 95% эксплуатируемой запорной трубопроводной арматуры составляет арматура с условным проходом DN<150 мм, объем ремонтного фонда которой в среднем составляет около 6% [43]. Разница между количествами арматуры, требующей ремонта и ремонтируемой своими и сторонними силами, представляет собой неремонтопригодные изделия. Средняя доля неремонтопригодных изделий в ремонтном фонде арматуры данных условных проходов приближается к 20% [43]. При этом в диапазоне условных проходов от 50 до
150 мм (более 83% эксплуатируемой арматуры) доля неремонтопригодных изделий составляет более 25% [43]. К основным дефектам, выявляемым при проведении ревизий запорной арматуры, относятся [34...39, 54]:
отсутствие герметичности в затворе арматуры;
протечки, связанные с наличием пор или трещин в материале корпусных деталей арматуры;
отсутствие герметичности фланцевых и сальниковых уплотнений, связанное с применением несоответствующих условиям эксплуатации материалов. Отсутствие герметичности в затворе арматуры является причиной более
80% отказов трубопроводной арматуры, которые приводят к нарушению нормального режима функционирования оборудования или к аварийным ситуациям, последствиями которых могут быть экономические потери, повреждение оборудования, загрязнение окружающей среды и т.д [54]. Потеря герметичности в затворе может являться следствием [34, 35, 54]:
т.
конструктивных недостатков арматуры, проявляющихся в нарушении взаимного расположения уплотнительных поверхностей затвора вследствие недостаточной жесткости корпусных деталей;
качества изготовления уплотнительных поверхностей деталей затвора и их сборки;
абразивного или коррозионного повреждения деталей затвора;
других причин.
На этапе проектирования трубопроводной арматуры можно спрогнозировать
вероятность нарушения герметичности затвора вследствие деформаций уплотни
тельных поверхностей его деталей. Однако, существующие аналитические методы
расчета деталей трубопроводной арматуры на прочность и жесткость не позволяют
i^k определить деформации уплотнительных поверхностей затвора и проверить вы-
полнение условия герметичности.
Метод конечных элементов, реализованный в различном программном обеспечении [4, 51, 56, 60, 62], уже достаточно продолжительное время исполь-
7 зуется для проведения расчетов напряженно-деформированного состояния и расчетного обоснования прочностной надежности оборудования и трубопроводов, используемых в атомной энергетике. В связи с потребностями развития и совершенствования оборудования объем использования данного программного обеспечения метода постоянно возрастает [51].
Вместе с тем, подобное программное обеспечение до недавнего времени практически не использовалось в нефтегазовой отрасли, несмотря на существующую потребность в точной оценке надежности вновь создаваемого оборудования и остаточного ресурса эксплуатируемого. Это связано в первую очередь с отсутствием методических разработок в данном направлении, регламентирующих границы и способы применения данного программного обеспечения, хотя в последнее время работы в данном направлении ведутся [25]. Под руководством д.т.н., профессора Тарасенко А.А. детально проработана методика исследования НДС вертикальных стальных резервуаров и других конструкций нефтегазотранспорт-ных систем [63, 64]. В работах [40,41], выполненных на кафедре "Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов" Самарского государственного технического университета, рассмотрены вопросы использования МКЭ при расчете резьбовых соединений обсадных колонн. Также метод конечных элементов применяется для определения НДС трубных систем подогревателей сетевой воды [48], расчетов змеевиков печей пиролиза [50] и обсадных колонн скважин [44].
В связи с этим актуальным является разработка методики расчета на прочность и жесткость деталей на основе использования современных численных методов, позволяющей оценить деформации уплотнительных поверхностей затвора запорной арматуры.
Цель выполнения настоящей работы: Разработать методику проектирования запорной арматуры с использованием численных методов, позволяющую выполнять оценку герметичности затвора с учетом нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы следующие задачи:
Исследовать влияние изменения напряженно-деформированного состояния корпусных деталей трубопроводной арматуры на герметичность затвора.
Предложить и обосновать расчетные схемы для проведения анализа напряженно-деформированного состояния корпусных деталей методом конечных элементов, позволяющие учитывать при проектировании деформации уплотнительных поверхностей затвора запорной арматуры.
Оценить влияние совместного деформирования деталей клиновых задвижек с учетом нагрузок, возникающих в процессе ее сборки, на герметичность затвора.
Установить степень влияния на возникновение деформаций уплотнительных поверхностей, приводящих к потере герметичности затвора клиновых задвижек, нагрузок, возникающих в процессе их эксплуатации на технологических трубопроводах.
Разработать рекомендации по оптимизации конструкций клиновых задвижек на основании расчетов, выполненных по предложенной методике расчета на прочность и жесткость с учетом требований по герметичности затвора.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлена корреляционная зависимость между величиной деформаций корпусных деталей запорной трубопроводной арматуры и выполнением условия герметичности затвора;
Предложены методы оценки прочности и жесткости конструкций деталей запорной трубопроводной арматуры, позволяющие при проектировании учитывать взаимное деформирование деталей и различные виды нагрузок, возникающие в процессе эксплуатации;
Разработаны расчетные схемы для оценки прочности и жесткости корпусных деталей клиновых задвижек, позволяющие определить деформации деталей уплотнительных поверхностей затвора и оценить вероятность нарушения герметичности затвора.
Практическая ценность диссертации: 1. Внедрение предложенной методики в процесс проектирования запорной трубопроводной арматуры позволило более точно оценить прочность и жесткость соз-
9 даваемой конструкции, определить деформации деталей затвора и уменьшить число отказов арматуры по причине нарушения герметичности затвора. 2. Предложенные рекомендации по оптимизации использованы при разработке новых клиновых задвижек КЗ 13010-100, КЗ 13010-300, обладающих максимальной прочностью и жесткостью при минимальных массогабаритных показателях. Разработанные в диссертации методики и полученные результаты легли в основу процесса проектирования клиновых задвижек К313010-100, К313010-300, КЗ 13010-400 и поворотного затвора К399002-200 Курганского завода трубопроводной арматуры "РЖАР", а так же при подготовке курсовых и дипломных проектов студентами специальности "Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов".
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Ее основные положения и результаты докладывались на III научно-технической конференции "Автоматизация и прогрессивные технологии" (г.Новоуральск, 2002г.), научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Мурав-ленко "Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки" (г.Тюмень, 2002г.), национальной конференции с международным участием "Инженерная механика 2003" (Чехия, г.Свратка, 2003г.), международной научно-технической конференции "Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе" (г. Тюмень, 2003г.), всероссийской учебно-практической конференции "Применение программного комплекса ANSYS в решении инженерных задач" (г.Уфа, 2004г.), совещании руководителей и главных специалистов Научно-промышленной ассоциации арматуростроителей "Роль стандартизации, сертификации и метрологии в повышении качества производства и ремонта трубопроводной арматуры" (г.Курган, 2004г.), XI международной научно-технической конференции "trans & MOTAUTO'04" (Болгария, г.Пловдив, 2004г.), II российской межвузовской научно-технической конференции "Компьютерный инженерный анализ" (г. Екатеринбург, 2005г.).
Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка использованных источников, содержащего 65 наименований, и приложения.
10 Первый раздел посвящен анализу причин возникновения в корпусных деталях запорной трубопроводной арматуры деформаций, приводящих к нарушению герметичности запорного узла. Трубопроводная арматура в процессе эксплуатации
(ф воспринимает целый ряд нагрузок, которые не учитываются при проведении тра-
диционных расчетов на прочность и жесткость (учитывается только давление рабочей среды и усилие, обеспечивающие герметичность).
В разделе изложены основные предположения, на которых базируются аналитические методы оценки прочности и жесткости, выявлены ограничения и определены условия их применимости. Выполненный анализ существующих методов оценки прочности и жесткости корпусных деталей трубопроводной арматуры, а также определения их напряженно-деформированного состояния показал, что данные методы расчета не позволяют получить информацию о распределении напряжений и деформаций в деталях арматуры. Таким образом, отсутствие данных о деформированном состоянии деталей арматуры не позволяет провести оценку нарушений взаимного расположения уплотнительных поверхностей деталей затвора и подтвердить выполнение условия герметичности.
Однако, вследствие деформаций уплотнительных поверхностей затвора, изменяется ширина площадки контакта Ъ, что приводит к необходимости увеличения давления q на уплотнительной поверхности для обеспечения герметичности в процессе эксплуатации, или происходит локальная потеря контакта (отклонение взаимного расположения уплотнительных). Исходя из этого, определены критерии оценки прочности и жесткости деталей арматуры, необходимые для выполнения условия герметичности затвора. Изложены основные положения метода конечных элементов. Проведена верификация метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе ANSYS, с аналитическим решением классического тестового примера.
ф Второй раздел посвящен анализу НДС методом конечных элементов и ис-
следованию влияния деформаций корпусных деталей трубопроводной арматуры на герметичность запорного узла. На основе анализа условий эксплуатации запорной арматуры предложены и обоснованы расчетные схемы для проведения анализа на-
пряженно-деформированного состояния корпусных деталей клиновых задвижек при нагружении давлением рабочей среды методом конечных элементов. Использование предложенных расчетных схем позволяет получить информацию о распре-
^41 делении напряжений и деформаций в корпусных деталях задвижек, зависимости
данных параметров от величины давления рабочей среды или, при наличии зависимости P(t), от времени, а также провести оценку влияния деформаций на состояние уплотнительных поверхностей деталей затвора и выполнения условия герметичности. Наличие более точной информации о характере напряженно-деформированного состояния деталей позволяет определить допустимость использования тех или иных конструктивных решений и провести сравнение нескольких вариантов конструкции с целью ее оптимизации.
» Предложенные расчете схемь, использовались да оценки напряженно-
деформированного состояния корпусных деталей клиновых задвижек КЗ 13010-100 (ZW100, PN40), К313010-300 (/Ж300, PN40) ТУ4111-40-00218147-93 и ТЛ13001-500 (ZW500, PN40) ТУ26-07-1615-93, производства ОАО "Икар" Курганского завода трубопроводной арматуры. Проведенный анализ показал, что деформации, возникающие в корпусе клиновой задвижки ТЛ13001-500 приводят к нарушению взаимного расположения уплотнительных поверхностей затвора.
Поскольку при использовании метода конечных элементов точность полу-чаемого решения зависит от качества построения конечноэлементнои модели, то предложены количественные методы оценки качества построения модели и определены критерии их применимости. В результате проведенных исследований установлены предельно допустимые значения предложенных критериев. Таким образом, если для используемой конечноэлементнои модели значения критериев, не превышают предельно допустимых (в зависимости от типа разбиения) то можно говорить о достоверности получаемых результатов.
(^ Здесь же выполнено исследование взаимного влияния НДС деталей запорной
трубопроводной арматуры с учетом усилий, необходимых для обеспечения герметичности фланцевого соединения корпус-крышка. Показано, что использование моделей корпусных деталей без учета усилий затяжки фланцевого соединения кор-
пус-крышка не является перспективным, поскольку не приводит к повышению
точности определения НДС по сравнению с моделями, рассмотренными ранее.
Предложены конечноэлементные модели и расчетные схемы, учитывающие усилия
ґф затяжки фланцевого соединения корпус-крышка.
Предложенные в данном разделе конечноэлементные модели и расчетные схемы позволяют локализовать места концентрации напряжений и определить изменение взаимного расположения уплотнительных поверхностей затвора трубопроводной арматуры в широком диапазоне изменения нагрузок, что дает возможность выполнить оценку герметичности затвора.
В третьем разделе анализируется влияние нагрузок, возникающих в процессе сборки, монтажа и эксплуатации запорной трубопроводной арматуры, на ее напряженно-деформированное состояние и герметичность затвора.
Даны рекомендации по построению конечноэлементных моделей (рис.9) и предложены расчетные схемы, позволяющих выполнять оценку НДС деталей арматуры с учетом различных проектных и эксплуатационных нагрузок, возникающих при ее монтаже на трубопроводе. В рамках разработки конечноэлементных моделей для выполнения данного исследования показаны особенности моделирования болтового соединения и обоснована необходимость использования контактных элементов.
На основе анализа напряженно-деформированного состояния деталей запор
ной трубопроводной арматуры при нагружении пробным давлением гидравличе
ских испытаний на плотность и прочность материала [15] установлено, что даже
кратковременное превышение рабочего давления оказывает существенное влияние
на прочность и жесткость арматуры. Выполнено моделирование и получено поле
распределения температур в задвижке КЗ 13010-100 при условии конвективного те
плообмена с рабочей средой (жидкость) имеющей температуру 150С и окружаю-
(^ щим воздухом с температурой равной -40С. Предложенная конечноэлементная
модель и расчетные схемы позволяют выполнять термо-прочностной анализ, учитывающий полученное поле распределение температур.
В ходе проведенных исследований установлено, что вышеперечисленные на-
13 грузки, не рассматриваемые при проведении расчетов на прочность и жесткость аналитическими методами при проектировании арматуры, приводят к нарушению герметичности затвора в ходе эксплуатации арматуры.
/ф Таким образом, разработанная методика расчета на прочность и жесткость
деталей запорной трубопроводной арматуры с использованием метода конечных элементов восполняет недочеты, возникающие при использовании традиционных методов расчета и проектирования. Методика позволяет выполнять оценку напряженно-деформированного состояния деталей с высокой точностью и дает возможность оценить влияние НДС деталей на деформирование уплотнительных поверхностей затвора. При этом разработанные расчетные схемы позволяют проводить анализ с учетом нагрузок, возникающих при эксплуатации арматуры, которые ра-нее выпадали из рассмотрения из-за несовершенства расчетных методик.
Четвертый раздел посвящен разработке рекомендаций по оптимизации конструкций клиновых задвижек на основании расчетов, выполненных по предложенной методике расчета на прочность и жесткость. Для изучения зависимости напряжений и деформаций от давления рабочей среды и используемой расчетной схемы с целью выработки критериев оптимизации были рассмотрены четыре случая нагружения. На основании результатов, полученных в предыдущих разделах работы, для клиновой задвижки КЗ 13010-100 были определены характерные точки, в которых будет выполнена минимизация целевой функции. В рассматриваемых точках с использованием полиномиальной регрессии расчетных данных были получены зависимости напряжений от давления рабочей среды и рассматриваемого случая нагружения. Анализ полученных зависимостей подтвердил, что при рассмотрении нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации арматуры, аналитические данные не дают представления о действующих напряжениях и возникших деформациях. Определенные на основании расчетов точки могут использоваться для
^ выполнения экспериментальных исследований НДС арматуры на испытательном
стенде типа "большое гидравлическое кольцо" или другом, обеспечивающим возможность проведения ресурсных испытаний.
Таким образом, предложенная целевая функция и ограничения позволяют
14 обеспечить выполнение условия герметичности затвора при выполнении оптимизации конструкции и позволяет создать конструкцию, обладающую минимальными массогабаритными показателями и снижающую вероятность возникновения отказов по причине нарушения герметичности.
На защиту выносятся:
Метод оценки нарушений герметичности затвора трубопроводной арматуры вследствие деформаций уплотнительных поверхностей на основе результатов расчета напряженно-деформированного состоянии деталей.
Методика расчета на прочность и жесткость деталей запорной трубопроводной арматуры с использованием метода конечных элементов.
Расчетные схемы для проведения анализа напряженно-деформированного состояния корпусных деталей, с учетом нагрузок, не рассматриваемых при использовании традиционных методов проектирования.
Критерии оценки герметичности запорного узла при возникновении деформаций вследствие действия эксплуатационных нагрузок
Трубопроводная арматура в процессе эксплуатации воспринимает целый ряд нагрузок (рис.1.), которые не учитываются при проведении традиционных аналитических расчетов на прочность и жесткость выполняемым по методикам, наиболее полно сформулированным Д.Ф.Гуревичем [28, 29]. Из нагрузок, приведенных на рис.1, при проектировании запорной трубопроводной арматуры учитывается только давление рабочей среды (Р, МПа) и усилие, обеспечивающие герметичность {Qynn- Н).
Методы расчета, изложенные в классических работах Д.Ф.Гуревича [28, 29], к сожалению, не позволяют получить информацию о распределении напряжений и деформаций в деталях арматуры. Отсутствие данных о деформированном состоянии деталей арматуры не позволяет спроектировать узел затвора, гарантировано обеспечивающий герметичность при возникновении деформаций деталей, вследствие действия эксплуатационных нагрузок, показанных на рис.1. Считается, что удельное давление на уплотнительных поверхностях, обеспечивающие герметичность, является постоянной величиной, определяемой на основании выражения: Ым _«Х.т.(с + Ы.к.Р) (1) где [q] - допускаемое давление на уплотнительной поверхности, МПа; q — действующее давление на уплотнительной поверхности, МПа; Ъ — ширина уплотнения, мм; с, т, к- коэффициенты, зависящие от материала уплотнительных поверхностей.
Вместе с тем, вследствие деформаций уплотнительных поверхностей затвора, показанных на рис.2, изменяется ширина площадки контакта (b, bj, Ьг, Ьз), что приводит к необходимости увеличения давления q на уплотни m «І тельной поверхности для обеспечения герметичности в процессе эксплуатации, или происходит локальная потеря контакта (отклонение взаимного расположения уплотнительных поверхностей на угол аі).
Таким образом, при известном усилии вдоль шпинделя Qmn.- полученном на основании силового расчета, оценку влияния деформаций, возникающих в деталях арматуры при воздействии эксплуатационных нагрузок, на сохранение герметичности затвора можно выполнить на основании изменения ширины уплотнительной поверхности по выражению: ОЛ-т -іс + Ю-к-Р)2 (2)
Я где Ь - ширина уплотнительной поверхности с учетом деформаций; q4 - давление на уплотнительной поверхности, получаемое при силовом расчете сверху на основании усилия вдоль шпинделя Qynn. в то же время ширина уплотнительной поверхности является функцией от возникших деформаций и в случае отклонений плоскостности уплотнительных поверхностей определяется как: V=4lx2+ly2, (3) - tg (a) min(fb)yj-b2 sin2 (a) + 2b sm(a)max(fb)-max(fh)2 +b2 1 /- w IX — b sin(or) + max(/4) - min(/4) - tg(a) - b2 sin2 (a) + 2b sin(a) max(fb) - max(fb )2 + b2 - min(fb )yj- b2 sin2 (or) + 2b sin(a) max(/,)- max(fb )2 + b2 б8т(а) + тах( ,)-тт(/й)- (а)-у/-625т2(а) + 2б8т(«)тах(/ )-тах(у )2 +b2 max(/J - максимальное смещение уплотнительной поверхности деталей затвора; min(/A) - минимальное смещение уплотнительной поверхности деталей затвора; а - угол уклона уплотнительной поверхности.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что проверить выполнение условия герметичности затвора с учетом деформаций деталей запорной арматуры возможно только при получении данных о деформациях уплотнительных поверхностей затвора, что невозможно при использовании аналитических методов расчета.
Рассмотрим используемые критерии оценки прочности и жесткости де-талей арматуры. Считается, что в конструкциях арматуры необходимо обеспечить в первую очередь статическую прочность деталей, поскольку они, как правило, воспринимают статические нагрузки. В этих условиях опасное состояние материала определяется либо возникновением больших остаточных деформаций в пластичных металлах, либо возникновением трещин (разрушение) в хрупких металлах. В деталях арматуры наиболее часто возникает сложнонапряженное состояние материала, в этом случае общим выражением для обеспечения прочности служит формула [28]: эквА] (5) где [сг] - допускаемые напряжения.
Однако определение значения сгэкв дает различные результаты в зависимости от используемой теории прочности. Наиболее хорошо согласующиеся с практикой результаты получаются на основании четвертой теории прочности (энергетической) - критерию удельной потенциальной энергии формоизменения [28]. По этой теории прочности опасным считается состоя-ние материала, когда потенциальная энергия деформации, вызывающая изменение формы, достигает определенного предела. При этом прочность обеспечивается при выполнении условия [55]: 0.5 (0-,-сг2)2 + (а2-а3)2 + ( -0-,)2] [а] (6) При определении [а] для стальных корпусных деталей температура, при превышении которой необходимо учитывать механические характери стики длительной прочности и ползучести материала, принимается равной 4 380С для углеродистых сталей, 420С для низколегированных сталей и 525С для аустенитных сталей [16]. Если этого не происходит, то допускаемые напряжения рассчитываются по пределу текучести и пределу прочности на основании формулы [16]:
Определение характера распределения напряжений и упругих деформаций в корпусных деталях клиновых задвижек
Для решения любой физической задачи методом конечных элементов сначала следует построить геометрическую модель детали, тела или области. В программном комплексе ANSYS существуют различные способы построения геометрической модели: твердотельное моделирование "снизу-вверх" и "сверху-вниз", а также импорт модели, предварительно построенной в системе твердотельного моделирования (такой как AutoCAD, SolidWorks, Unigraphics, Компас 3D и др.).
Алгоритм построения модели способом "снизу вверх" (от элементарного к более сложному) заключатся в следующем: чтобы нарисовать линию, нужно отметить две точки, через которые она будет проходить, а затем их соединить; если необходимо нарисовать участок поверхности или плоскую область, то нужно сначала создать характерные точки границы, соединить их линиями (не обязательно прямыми), т.е. создать границу, а затем поверхность или область; чтобы построить объем — нужно создать поверхности, которые будут являться гранями объема. Точки в ANSYS являются наиболее простыми компонентами модели, так называемыми компонентами нижнего уровня. Линии являются компонентами более высокого уровня, чем точки, но более низкого, чем поверхности и объемы. Поверхности, в свою очередь, являются компонентами более низкого уровня, нежели объемы, и более высокого, чем точки и линии. Объемы - это наиболее высокоуровневые компоненты геометрической модели в ANSYS.
Следует отметить, что при использовании метода создания модели "снизу вверх" не всегда обязательно последовательно создавать весь набор геометрических компонент (сначала ключевые точки, затем линии, поверхности и объемы). Некоторые стадии в определенных случаях можно пропускать. Так, поверхность или объем можно создать, по ключевым точкам, которые будут вершинами создаваемого компонента (например, куба). В таком случае все необходимые промежуточные компоненты (линии и поверхности) будут созданы автоматически. Также для создания поверхностей и объемов сложной формы часто употребляются операции выдавливания некоторой линии или поверхности на определенную длину и операции вытягивания линии или поверхности вдоль заданного пути.
Метод построения геометрической модели "сверху-вниз" заключается в создании сразу элементов высокого уровня. В ANSYS есть средства для создания различных стандартных плоских и объемных объектов, таких как прямоугольник, круг, тор и т.д. Их обычно называют примитивами. При создании примитива программа автоматически создает все компоненты более низкого уровня, связанные с ним. Объекты сложной формы можно получить, комбинируя уже существующие геометрические объекты с помощью булевских операций, таких как сложение, вычитание, пересечение. Такие операции позволяют получить тела практически любой формы
Необязательно жестко придерживаться какого-то конкретного из вышеперечисленных способов построения геометрической модели, можно комбинировать построение модели "сверху вниз" и "снизу вверх".
Использование импортирования готовой геометрической модели из систем проектирования позволяет реализовать на практике преимущества интеграции численных методов в процесс создания нового изделия: вновь разработанная модель передается для анализа, в процессе которого определяется прочностная надежность конструкции и, при необходимости, выполняется оптимизация. Однако, у такого способа построения геометрической модели есть свои недостатки: на импортированной модели практически невозможно построить регулярную сетку конечных элементов, что приводит к необходимости получать более мелкое разбиение для получения достаточной точности, а, следовательно, к увеличению времени расчета. Таким образом, использование данного способа построения геометрической модели оправдано в том случае, когда необходимо провести анализ сложной конструкции, построить которую средствами препроцессора ANSYS будет затруднительно, или, в случае необходимости, провести экспресс-анализ конструкции, геометрическая модель которой уже выполнена конструктором.
Поскольку наше исследование базируется на существующих конструкциях трубопроводной арматуры, производимой ОАО «ИКАР» ордена «Знак Почета» Курганским заводом трубопроводной арматуры, то наиболее оправдано использование геометрических моделей, выполненных конструкторами завода в системах трехмерного проектирования с минимальными доработками, обеспечивающими построение более качественной конечноэлементной сетки.
Исследование влияния монтажных нагрузок
От усилий затяжки болтов при монтаже трубопроводной арматуры в ней возникают дополнительные напряжения, величина которых остается постоянной в течение длительного срока эксплуатации арматуры. Характер создаваемого при монтаже напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей арматуры в значительной степени зависит от квалификации персонала, выполняющего монтаж арматуры на трубопроводе, использования динамометрических ключей, показывающих или ограничивающих усилие затяжки. Особые требования к выбору усилий затяжки болтов предъявляются при монтаже установок, работающих в условиях высоких давлений и температур, когда болты фланцевого соединения работают при больших нагрузках [28]. При анализе НДС деталей трубопроводной арматуры методики, предложенные Д.Ф.Гуревичем [28], не учитывают деформации и напряжения, возникающие в арматуре от усилий от затяжки болтов РШП1 а также силы, возникающие в результате несоосности фланцев трубопровода FTP и изгибающий момент трубопровода МТР.
Построение геометрических моделей Для исследования напряженно-деформированного состояния корпусных деталей трубопроводной арматуры с учетом нагрузок, действующих со стороны трубопровода и крепежных элементов, была создана трехмерная модель клино вой задвижки, смонтированной на трубопроводе (рис. 61). Геометрические мо дели корпусных деталей клиновой задвижки аналогичны моделям, использо ванным во втором разделе диссертации. Геометрическая модель ответного фланца трубопровода была создана в системе трехмерного параметрического моделирования SolidWorks, и после передана в программный комплекс ANSYS (см. п. 2.1.1). Поскольку крепежные детали и трубопровод обладают достаточно простой геометрической формой, то для формирования их геометрических мо делей использовались возможности препроцессора ANSYS [5]. Длина трубо провода, рассматриваемого в задаче, должна удовлетворять условию [20]: L 3DN, (50) где DN - условный проход задвижки.
Выполнение условия (50) необходимо для обеспечения податливости ответного фланца магистрали и устранения влияния на НДС корпусных деталей клиновой задвижки и жесткой заделки торца трубопровода. т) Конечноэлементные модели корпусных деталей клиновой задвижки, а также ответного фланца трубопровода, имеющие сложную геометрическую форму, построены с использованием свободного разбиения на конечные элементы SOLID92 [3]. Для построения конечноэлементных моделей крепежных элементов и трубопровода использована возможность направленной генерации упорядоченной сетки из трехмерных 20-тиузловых структурных элементов Щ SOLID95 [3]. Для моделирования контактных взаимодействий использованы пары контактных элементов типа "линия-поверхность" CONTA175ARGE170 [3] для моделирования контактного взаимодействия седла и корпуса и типа "поверхность-поверхность" CONTA174ARGE170 [3] для моделирования болтового соединения. Усилия затяжки крепежных элементов моделировались с использованием элементов PRETS179, предназначенных для создания предварительного напряженного состояния при 2D и 3D моделировании [3].
Параметры построенной конечноэлементной модели приведены в табли Щ це 25, а сама модель представлена на рис. 62. Усилие обжатия прокладки фланцевого соединения магистрали определяется по методике, изложенной в п. 2.2.2. По выражению (42) для обеспечения плотности соединения прокладка должна быть предварительно обжата на месте ее установки с усилием: QOIl=L.B-qo-K0-g = №421M3H, (51) где L = 42,726 - длина периметра прокладки по средней линии, см; В = Ъ Ф ширина прокладки, см; Кф = 1,0 - коэффициент формы, учитывающий наличие бороздок, пересекающих поверхность уплотнения и неравномерность деформации фланцев 7о = 82,249 МПа - удельное давление на прокладке, необходимое для создания герметичного соединения. 103 а для обеспечения герметичности в рабочих условиях требуется усилие затяжки, определяемое по выражению (45), и равное: QP=g-{L-B-qP+(l-j])-QCP) = mS53M6H (52) где g = 9,81 - ускорение свободного падения; г/ = 0,125 - коэффициент, зависящий от материала прокладки; QCP = 5810,69 - усилие от давления среды, кг.
Усилие затяжки одной шпильки фланцевого соединения магистрали определяется на основании наибольшего из полученных (51) и (52) усилий и число шпилек фланцевого соединения п = 8:
Исследование зависимости напряжений и деформаций от давления рабочей среды и определение критериев оптимизации
Для изучения зависимости напряжений и деформаций от давления рабочей среды и используемой расчетной схемы с целью выработки критериев оптимизации были рассмотрены четыре случая нагружения, приведенные в таблице 30. В первом расчетном случае рассматривалось только нагружение давлением рабочей среды. Во втором расчетном случае помимо нагружения давлением рабочей среды в расчетной схеме учитывались нагрузки, возникающие в процессе сборки. Нагружение давлением рабочей среды и нагрузками, возникающими в процессе сборки и монтажа арматуры, рассматривалось в третьем расчетном случае. Нагружение всеми вышеперечисленными видами нагрузок с учетом напряжений и деформаций, возникающих вследствие температурного расширения материала деталей было рассмотрено в четвертом расчетном случае.
На основании результатов, полученных в предыдущих разделах работы, для клиновой задвижки КЗ 13010-100 были определены характерные точки, в которых по результатам расчетов, выполненных по расчетным схемам, приведенным в разделах 2 и 3, были зафиксированы экстремальные значения напряжений или деформаций. В качестве примера на рис.87 показаны три характерных точки для корпуса клиновой задвижки и на рис.88 две характерные точки для крышки клиновой задвижки КЗ 13 010-100.
Графики зависимости напряжений от давления рабочей среды в рассматриваемых точках крышки клиновой задвижки КЗ 13010-100
В рассматриваемых точках с использованием полиномиальной регрессии расчетных данных были получены зависимости напряжений от давления рабочей среды и рассматриваемого случая нагружения. Полученные зависимости показаны на рис. 89...90. В основном зависимости напряжений от давления рабочей среды описываются полиномами первой или второй степени, причем коэффициенты при члене старшей степени незначительны.
Например, для точек корпуса клиновой задвижки КЗ 13010-100, показанных на рис.87, зависимости эквивалентных напряжений в корпусе от давления рабочей среды определяются зависимостями:
Аналогичным образом для выбранных точек строятся зависимости деформаций корпусных деталей от давления рабочей среды. Графики зависимости суммарных перемещений третей характерной точки корпуса клиновой задвижки КЗ 13010-100 (рис.87) от давления рабочей среды представлены на рис.91.
Анализ полученных зависимостей подтвердил, что при рассмотрении нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации арматуры, аналитические данные не дают представления о действующих напряжениях и возникших деформациях. Например, для цилиндрического участка корпуса результаты для первого случая на-гружения совпадают с результатами, полученными по аналитической зависимости, рассмотрение 2-го случая нагружения приводит к увеличению действующих напряжений в 2,8 раза, а рассмотрение 4-го случая нагружения в 4,2 раза (рис.89в). Таким образом, на основе анализа полученных зависимостей было установлено, что для оптимизации конструкции с целью уменьшения металлоемкости и массы должны использоваться результаты расчетов, выполненных для четвертого случая нагружения.
Для оптимизации конструкции корпусных деталей клиновых задвижек по массогабаритным показателям необходимо определить параметр, который позволит сократить массу задвижки, при сохранении ее жесткости для обеспечения герметичности затвора и прочности. Масса детали при использовании одного и того же материала линейно связана с ее объемом, однако, использование объема в качестве параметра оптимизации нежелательно, поскольку объем описывает всю деталь в целом и не позволяет рассмотреть конкретные точки. Объем можно представить как совокупность толщин стенок в каждой точке корпуса: У = Ъп (63) /=1 где i=\...n — число точек выбранных на корпусной детали клиновой задвижки; Si — толщина стенки корпусной детали клиновой задвижки в i-ой точке.
Таким образом, для оптимизации конструкции корпусных деталей по массо-габаритным показателям при обеспечении герметичности затвора необходимо минимизировать в исследуемых точках функцию от толщин стенок корпусных деталей Si для четвертого случая нагружения:
Для обеспечения прочности корпусных деталей клиновой задвижки необходимо обеспечить выполнение условия прочности в каждой из /-ых точек при постоянной (определенной на основании предполагаемых условий эксплуатации) величине давления рабочей среды: [ т]- at(Р = const,s,) 0, (65) где at{P = const,st) - напряжение в /-ой точке корпусной детали при заданном давлении рабочей среды в зависимости от толщины стенки в зависимости от толщины стенки sh МПа; [а] - предельно допускаемые напряжения в корпусной детали, МПа.
Оценить влияние деформаций, возникающих в деталях арматуры при воздействии эксплуатационных нагрузок, на сохранение герметичности затвора можно выполнить на основании изменения ширины уплотнительной поверхности можно по выражению (2). На основании выражения (3) определяются предельно допустимые деформации уплотнительной поверхности затвора: L/l = max(/6) - mm(fb ], (66) где тах(/6) - максимальное смещение уплотнительной поверхности деталей затвора; min(/b) - минимальное смещение уплотнительной поверхности деталей затвора. Таким образом, учитывая что точки, расположенные на уплотнительной поверхности (у = 1...т) являются подмножеством всех рассматриваемых точек, т.е. j і, условие сохранения герметичности затвора клиновой задвижки можно записать как: 0 (67) [/L"max ! J {fj{P = const, s)\ Учитывая все вышесказанное, можно сказать, что минимизация целевой функции (64) при выполнении условия прочности (65) и условия, обеспечи вающего герметичность затвора (67) позволит получить оптимальную по своим массогабаритным характеристикам конструкцию.
