Recherche sur la méthode de calcul du contrôle de la résistance d'un réducteur

Recherche sur la méthode de calcul du contrôle de la résistance d'un réducteur

Le réducteur est un élément important de la production de vapeur et d'eau. composant de tuyauterie dans les chaudières des centrales électriques. Les méthodes de calcul et de vérification de la résistance des plaque d'acier des réducteurs soudés dans trois normes de la Chine, des États-Unis et de l'Europe sont analysées comparativement, et la distribution locale des contraintes des réducteurs soudés dans trois normes de la Chine, des États-Unis et de l'Europe est analysée comparativement. réducteurs est analysé par un calcul par éléments finis. Les résultats montrent que pour le calcul de l'épaisseur de la paroi du réducteur, les méthodes de calcul des différentes normes sont très similaires. La différence dans les résultats de calcul est très faible. Cependant, pour la vérification de la résistance de la connexion entre le réducteur et le tuyau droit, la différence entre les résultats de calcul des différentes normes est importante, et les résultats de calcul de l'ASME BPVC. Ⅷ-2017 Rules for Construction of Pressure Vessels montrent que la résistance de la petite extrémité du réducteur avec le tuyau droit est très élevée, et que la résistance de la petite extrémité du réducteur avec le tuyau droit est très faible. GB 150-2011 "Pressure Vessels", les résultats des calculs des différentes normes diffèrent grandement, ASME BPVC. Ⅷ-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" a calculé que l'épaisseur du renforcement au niveau de la petite extrémité du réducteur et de la connexion avec le tuyau droit est la plus importante, et les résultats des calculs de la norme GB 150-2011 "Pressure Vessels" sont légèrement inférieurs à ceux de la norme ASME BPVC. Les résultats des calculs de la norme 2012 "Metallic industrial piping-Part 3 : Design and Calculation" sont nettement inférieurs. L'analyse par éléments finis montre une concentration importante de contraintes à la petite extrémité du réservoir, que ce soit dans des conditions de moment de flexion ou de pression interne, la contrainte maximale étant environ 2,0 fois la contrainte maximale à la petite extrémité.

0. Introduction

Les réducteurs sont raccords de tuyauterie qui relient deux tuyaux de diamètres différents et sont des composants importants des systèmes de tuyauterie industrielle. Le réducteur est généralement utilisé pour la connexion entre l'importation et l'exportation de l'équipement et du pipeline et le tuyau de dérivation dans le pipeline pour réduire le diamètre du tuyau, ce qui peut modifier le débit du fluide, ralentir l'érosion du fluide sur les pièces internes et réduire la consommation d'énergie. matériaux pour les pipelines. Les réducteurs utilisés dans la vapeur système de tuyauterie des centrales thermiques comprennent tube en acier les réducteurs moulés, les réducteurs soudés en tôle d'acier et les réducteurs soudés en tôle d'acier. réducteurs excentriques. Le réducteur de moulage de tube d'acier est l'utilisation de tube en acier sans soudure Le réducteur lui-même n'a pas de soudure, et avec le tuyau droit soudé pour laisser une section droite, il a donc une résistance élevée ; le réducteur soudé à la plaque d'acier est découpé en forme d'éventail, l'utilisation d'un équipement spécifique permet de le laminer, en raison de la présence d'une soudure dans le réducteur lui-même, sa résistance est donc relativement faible. Les accidents dus aux défaillances des réducteurs se produisent souvent dans la production industrielle, et nombre d'entre eux sont causés par la fissuration des soudures du cône et du récepteur du réducteur. L'analyse par éléments finis a également révélé que la partie soudée du réducteur en tôle d'acier et le soudage du pipeline présentent un phénomène évident de concentration des contraintes. Par conséquent, dans le processus de conception du réducteur soudé en tôle d'acier, l'épaisseur de la paroi au niveau de la connexion avec le pipeline doit être strictement calibrée.
Le calcul de la conception du réducteur peut être effectué selon la méthode d'analyse mathématique indiquée dans la spécification de conception de la canalisation correspondante. La norme de l'industrie de l'énergie DL/T 5054-2016 "Thermal power plant steam conception de la tuyauterie spécification" donne la méthode de calcul et de vérification de la résistance du réducteur de tuyauterie en acier moulé, mais pas la méthode de calcul du réducteur soudé en tôle d'acier. La méthode de calcul de la résistance et de vérification du réducteur soudé à plaque d'acier est donnée dans la norme européenne EN 13480-3-2012 "Tuyauterie industrielle métallique - Partie 3 : Conception et calcul", la norme nationale chinoise GB 150-2011 "Récipients sous pression", la norme américaine ASME BPVC. ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels", mais les méthodes de calcul sont différentes.
Ce document analyse l'influence des différents paramètres de pression interne et de diamètre de conduite sur la conception du réducteur en comparant et en calculant la réducteur soudé et réducteur excentrique soudé de trois normes différentes en Chine, aux États-Unis et en Europe par le biais de calculs par éléments finis, l'état détaillé de la distribution des contraintes du réducteur sous l'action de la pression interne et du moment de flexion est analysé, et le coefficient de renforcement optimal est obtenu. Les résultats des calculs fournissent une référence pour la sélection et le calcul des réducteurs soudés en tôle d'acier.

1. Calcul de la résistance des réducteurs soudés en tôle d'acier et méthodes de contrôle

Dans la conception de la résistance des composants de tuyaux sous pression, la théorie de la résistance utilisée est la théorie de la contrainte de cisaillement maximale. La formule de calcul de l'épaisseur de la paroi d'un tuyau droit sous pression interne est dérivée du modèle du film mince et tient compte de l'effet des joints soudés et de la température. La formule pour les tuyaux de diamètre réduit est basée sur la formule de l'épaisseur de paroi des tuyaux droits ; en tenant compte de l'angle de cône de la section conique obtenue, l'épaisseur de paroi minimale de la section conique de la formule dans les différentes normes est indiquée dans le tableau 1.
Tableau 1 Calcul de l'épaisseur de la paroi de la section conique du réducteur

Note: S est l'épaisseur de la paroi, en mm ; p est la pression de conception, en Pa ; D_i est le diamètre intérieur du tuyau ou du réducteur, en mm ; D_o est le diamètre extérieur du tuyau ou du réducteur, en mm ; [σ]^t est la contrainte admissible à la température de calcul du matériau, en MPa ; η est le coefficient de correction de la contrainte admissible, sans dimension ; θ est l'angle du demi-cône.
Comme le montre le tableau 1, le coefficient de pression est inférieur au dénominateur de la formule de calcul de l'ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" est de 1,2, tandis que le coefficient de pression inférieur au dénominateur des normes GB 150-2011 "Pressure Vessels" et EN GB 150-2011 "Pressure Vessels" et EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3 : Design and Calculation" a un coefficient de 1. Toutefois, étant donné que la pression admissible des réducteurs en acier soudés spécifiée dans les règlements sur les tuyaux est inférieure, l'effet de cet écart sur les résultats des calculs n'est pas significatif.
La connexion entre le réducteur et le tuyau droit présente une concentration évidente de contraintes, c'est pourquoi les trois normes sont calibrées pour la connexion du tuyau droit à la grande et à la petite extrémité, respectivement. Dans la norme GB 150-2011, la première étape consiste à déterminer, en fonction de la pression de conception, de la contrainte admissible et du coefficient de soudage, s'il est nécessaire de renforcer la connexion. Lorsqu'il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur à renforcer, il convient de la placer entre le réducteur et le récepteur pour renforcer la section. La section de renforcement du réducteur et la section de renforcement du récepteur doivent avoir la même épaisseur, l'épaisseur de l'épaisseur du récepteur dans l'épaisseur de paroi minimale de la base multipliée par les coefficients de valeur ajoutée de la contrainte, comme indiqué dans l'équation (5) :

S=QS₀ (5)

Dans la formule :

• S₀ est l'épaisseur minimale de la paroi du récepteur, en mm ;
• Q pour le facteur de valeur ajoutée de la contrainte sans dimension, par la pression de conception, la contrainte admissible et le coefficient de soudage de la taille de détermination, dans GB 150-2011 dans le tableau pour obtenir.

ASME BPVC. La norme VIII-2017 est basée sur la méthode de la zone sous pression qui doit être respectée ; la zone sous pression Ar que la section renforcée doit respecter est la suivante

A_r=[kQR/[σ]^tE₁](1-Δ/θ) tanθ (6)

Dans la formule :

• R est le rayon du récepteur, en mm ; k, Q, E et Δ sont des coefficients de corrélation calculés, qui figurent dans la spécification.

La surface effective A_eL de la grande fin est :

La surface effective A_eS à la petite extrémité est :

Dans la norme EN 13480-3-2012, il faut d'abord déterminer si un renforcement est nécessaire à l'aide de l'équation (9) :

Dans la formule :

• β est le coefficient requis pour le calcul, obtenu en vérifiant le tableau dans la spécification.

2. Résultats des calculs

Calcul du matériau des tuyaux et des réducteurs pour Q235pression nominale de conception PN16 (1,6MPa), température de conception de 200 ℃, angle de demi-cône du réducteur de 15 °. Tableau 2 pour le récepteur de la grande extrémité du réducteur de tuyau à l'épaisseur du renforcement des résultats de calcul, GB 150-2011 "Pressure Vessel" pour la grande extrémité du réducteur de tuyau n'a pas d'exigences de renforcement, EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3 : Design and Calculation". Le résultat du calcul à la grande extrémité est inférieur à l'épaisseur minimale de la paroi du récepteur, et aucun calcul spécifique ne peut être effectué dans la conception réelle. ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" prévoit une épaisseur de renforcement d'environ 1,3 à 1,4 fois l'épaisseur minimale de la paroi du tuyau droit, et le résultat du calcul est le plus conservateur. Il s'agit du calcul le plus prudent.
Tableau 2 Épaisseur de l'armature à la grande extrémité

Joint			Epaisseur de l'armature à la grande extrémité
Diamètre extérieur du tuyau de raccordement de la grande extrémité	Épaisseur minimale de la paroi de la buse à large extrémité	Épaisseur minimale de la paroi du cône	GB 150-2011	EN 13480-3-2012	ASME BPVC.VIII-2017
2438	21	21.6	Pas besoin de renforcement	10.1 (pas de renforcement nécessaire)	29
2235	19.2	19.7	Pas besoin de renforcement	9.2 (pas de renforcement nécessaire)	26
2032	17.5	17.9	Pas besoin de renforcement	8,4 (aucun renforcement n'est nécessaire)	24
1829	15.7	16	Pas besoin de renforcement	7,6 (pas de renforcement nécessaire)	22
1626	14	14.2	Pas de besoin de renforcementement	6,7 (pas de renforcement nécessaire)	19
1422	12.2	12.3	Pas besoin de renforcement	5,9 (aucun renforcement n'est nécessaire)	17

Le tableau 3 donne les résultats du calcul de l'épaisseur du renforcement au niveau du récepteur à la petite extrémité du réducteur. Les calculs de la norme EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3 : Design and Calculation" sont les plus petits, similaires à l'épaisseur minimale de la paroi du réservoir, sauf pour le diamètre extérieur de 2235 mm, où l'épaisseur du renfort est inférieure à l'épaisseur minimale de la paroi du réservoir. GB 150-2011 "Pressure Vessels" et ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels", l'épaisseur du renfort est nettement supérieure à l'épaisseur minimale de la paroi du réservoir. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" l'épaisseur renforcée est environ 1,5-2,0 fois l'épaisseur minimale de la paroi du tuyau droit. GB 150-2011 "Pressure Vessels" : l'épaisseur renforcée est environ 1,4 fois l'épaisseur minimale de la paroi du tuyau droit. Le renforcement de l'épaisseur de la paroi au niveau du récepteur du petit bout est plus important que celui du récepteur du grand bout, et le calcul du renforcement se fait selon le BPVC de l'ASME. VIII-2017, Rules for Construction of Pressure Vessels, est encore la plus conservatrice.
Le tableau 4 donne le grand diamètre extérieur de 1626 mm, le petit diamètre extérieur de 1219 mm, le matériau Q235, la pression nominale PN16 (1,6 MPa), la température de conception de 200 ℃ réducteurs dans différentes conditions d'angle de demi-cône du calcul de l'épaisseur complémentaire. À partir des résultats de calcul, on peut voir que, pour la petite extrémité du récepteur de tuyau, les trois normes dans l'épaisseur de l'armature avec l'angle de demi-cône augmentent de manière significative. Pour la grande extrémité du récepteur, les exigences de renforcement de l'ASME BPVC. VIII-2017 augmentent également avec l'augmentation de l'angle du cône, GB 150-2011 et EN 13480-3-2012 sur la grande extrémité du récepteur n'ont pas d'exigences en matière de renforcement. Par conséquent, dans le processus de conception, l'angle de conicité du réducteur doit être minimisé autant que possible lorsque l'espace le permet.
Tableau.3 Épaisseur de l'armature du petit bout

Tuyau de raccordement de la petite extrémité		Épaisseur du renfort de la petite extrémité
Diamètre extérieur nominal	Épaisseur minimale de la paroi	GB 150	EN 13480	ASME VIII
2235	19.2	26.9	20	29
2032	17.5	24.5	18	29
1829	15.7	22	16	27
1626	14	19.6	13	25
1422	12.2	17.1	11	24
1219	10.5	14.7	9	22

Tableau 4 : Effet de l'angle du cône sur l'épaisseur de l'armature

Angle/(°)	Épaisseur du renfort de la petite extrémité/mm			Épaisseur du renfort de la grande extrémité/mm
	GB 150	EN 13480	ASME VIII	GB 150	EN 13480	ASME VIII
10	13.6	9	16	Pas besoin de renforcement	Pas besoin de renforcement	18
15	14.7	11	18	Pas besoin de renforcement	Pas besoin de renforcement	19
20	16.8	12	20	Pas besoin de renforcement	Pas besoin de renforcement	21
25	18.9	14	22	Pas besoin de renforcementnt	Pas besoin de renforcement	23
30	19.9	16	25	Pas besoin de renforcement	Pas besoin de renforcement	24

3. Analyse par éléments finis

Pour obtenir plus de détails sur la distribution des contraintes du réducteur sous l'effet de la force extérieure, des calculs d'analyse par éléments finis ont été effectués sur le réducteur et le tuyau récepteur droit. Le diamètre de la petite extrémité du modèle est de 200 mm, le diamètre de la grande extrémité du récepteur est de 300 mm, la longueur du tuyau récepteur est de 800 mm et l'angle du demi-cône du réducteur est de 15°. Le maillage structuré est utilisé, avec 6 couches de maillage dans la direction de l'épaisseur de la paroi, et le nombre total de mailles est de 1,15 million, ce qui est vérifié par la corrélation du maillage pour répondre aux besoins de l'analyse des contraintes. Le modèle a été calculé uniquement par l'action du moment de flexion, uniquement par l'action de la pression interne, et en même temps par l'action du moment de flexion et de la pression interne de la distribution des contraintes de Von-Mises. Le moment de flexion est de 5000N-m, et la pression interne est de 1,6MPa.

Fig.1 Distribution des contraintes de Von-Mises sur le réducteur sous pression interne/Pa
La figure 1 montre la distribution de la contrainte de Von-Mises sous pression interne uniquement. Comme on peut le voir sur la figure, la petite extrémité du récepteur et le milieu du réducteur près de la petite extrémité de la paroi intérieure du tuyau pour la valeur de contrainte de la région la plus grande, il n'y a pas de concentration de contrainte dans le récepteur, au contraire, la petite extrémité du récepteur en raison du rôle de la pression interne vers l'extérieur, la contrainte est inférieure à la paroi intérieure du tuyau droit. Dans un tube droit, en cas de pression interne, la paroi interne présente la valeur maximale de contrainte, et avec l'augmentation de l'épaisseur de la paroi, la contrainte au niveau de la paroi interne diminue progressivement avec l'augmentation du diamètre du tube.
La figure 2 montre la distribution des contraintes de Von-Mises sous l'action du moment de flexion uniquement. Sous l'action d'un moment de flexion, la concentration des contraintes sur l'extérieur de la petite extrémité du réducteur de tuyau au niveau de la soudure est plus évidente, et la contrainte subie est environ 2,0 fois la contrainte maximale de la petite extrémité du tuyau droit, comme le montre la figure 2(a). Dans la grande extrémité du récepteur du côté de la paroi intérieure, la contrainte est également légèrement augmentée, mais beaucoup plus faible que dans la petite extrémité du récepteur, comme le montre la figure 2 (b). La position ci-dessus est également celle où la défaillance du réducteur se produit souvent dans le processus de production.
La figure 3 montre la distribution des contraintes de Von-Mises sous l'effet combiné du moment de flexion et de la pression interne. Sous l'action du moment de flexion, la petite extrémité du réducteur soudée à l'extérieur de la concentration de contrainte est plus évidente ; la contrainte maximale est légèrement inférieure à la seule action du moment de flexion, comme dans la figure 3 (a), ce qui est dû à la pression interne pour compenser le moment de flexion afin de rendre la tendance à la flexion du tube droit. Dans la grande extrémité du récepteur du côté de la paroi intérieure, la contrainte est également légèrement augmentée, mais beaucoup plus faible que dans la petite extrémité du récepteur, comme le montre la figure 3(b).

D'après la comparaison des résultats de l'analyse par éléments finis et des résultats calculés sur la base du code, la valeur du renforcement de la paroi à la petite extrémité de chaque norme est plus importante que la valeur correspondante du renforcement de la paroi à la grande extrémité, car la concentration des contraintes au niveau du récepteur de la petite extrémité est plus évidente. Dans le cas d'un petit angle de cône, la grande extrémité de la connexion, qu'elle soit soumise à une pression interne ou à un moment de flexion, la concentration de contraintes n'est pas évidente ; par conséquent, dans la plupart des conditions, il n'est pas nécessaire de la renforcer. D'après le tableau 3, les résultats des calculs peuvent être vus, l'épaisseur de paroi calculée de l'ASME BPVC. VIII-2017 a calculé le renforcement de l'épaisseur de la paroi du tuyau de raccordement de la petite extrémité pour l'épaisseur minimale de la paroi du récepteur de 1,5 à 2 fois, GB 150-2011 a calculé les résultats pour environ 1,4 fois, tandis que EN 13480-3-2012 a calculé l'épaisseur du renforcement de l'épaisseur de la paroi proche ou même inférieure à l'épaisseur minimale de la paroi du récepteur. En revanche, les résultats du calcul de l'épaisseur de la paroi de l'ASME BPVC. VIII-2017 sont plus proches de l'analyse par éléments finis.

Fig.2 Distribution des contraintes de Von-Mises sur le réducteur en cas de moment de flexion/fPa

4. Conclusion

Dans cet article, trois normes différentes en Chine, aux États-Unis et en Europe ont été utilisées pour comparer et calculer le réducteur soudé. Ils ont soudé le réducteur excentrique et analysé l'influence de différents paramètres sur la conception du réducteur. Grâce à la méthode des éléments finis, l'état détaillé de la distribution des contraintes du réducteur sous l'action de la pression interne et du moment de flexion est analysé, et les conclusions suivantes sont obtenues :

• 1) La petite extrémité du réducteur soudé en tôle d'acier et la connexion du récepteur produiront une concentration évidente de contraintes sous l'action du moment de flexion. Il faut veiller à renforcer l'épaisseur de la paroi lors de la conception.
• 2) En cas d'encombrement, la minimisation de l'angle du cône supérieur du réducteur peut rendre la conception plus sûre et plus fiable. Plus l'angle du cône est faible, plus l'épaisseur de la paroi est réduite. Mais en principe, l'épaisseur de la paroi du réducteur ne doit pas être inférieure à celle du récepteur.
• 3) En comparant les résultats des calculs et de l'analyse par éléments finis des trois codes chinois, américain et européen pour les réducteurs de tuyauterie soudés, on constate que les résultats des calculs de l'ASME BPVC. VIII-2017 pour les chaudières et les appareils à pression sont relativement conservateurs, tandis que les résultats des calculs de la norme EN 13480-3-2012 sont manifestement faibles, ASME BPVC. VIII-2017 calcul de l'épaisseur de paroi du réducteur de tube en acier soudé à la petite extrémité du renforcement des résultats et l'analyse par éléments finis est plus proche. L'analyse par éléments finis est plus proche.
• 4) Lorsque l'épaisseur de la paroi du tuyau droit ne répond pas à l'exigence de renforcement de l'épaisseur de la paroi, il est nécessaire de souder une section de tuyau droit répondant à l'épaisseur de renforcement entre le réducteur et le tuyau droit en guise de renforcement.

Figure.3 Distribution des contraintes du réducteur sous l'effet du moment de flexion et de la pression interne Von-Mises/Pa

Auteur : Liu Lu