A reduktor szilárdságellenőrzési számítási módszerének kutatása

A reduktor szilárdságellenőrzési számítási módszerének kutatása

A reduktor fontos gőz- és vízvezeték- és csővezeték-összetevő erőművi kazánokban. A tervezési számítási és szilárdságellenőrzési módszerek acéllemez hegesztett reduktorok három kínai, amerikai és európai szabványban összehasonlítóan elemzik, és a helyi feszültségeloszlást a reduktorok végeselemes számítással elemezzük. Az eredmények azt mutatják, hogy a reduktor falvastagságának számításánál a különböző szabványok számítási módszerei nagyon hasonlóak. A számítási eredmények közötti különbség nagyon kicsi. Mégis, a szűkítő és az egyenes cső közötti kapcsolat szilárdságának ellenőrzésénél a különböző szabványok számítási eredményei közötti különbség nagy, és az ASME BPVC számítási eredményei. Ⅷ-2017 Nyomástartó edények építési szabályai azt mutatják, hogy a szűkítő kis végének szilárdsága az egyenes csővel nagyon magas, és a szűkítő kis végének szilárdsága az egyenes csővel nagyon alacsony. GB 150-2011 "Nyomástartó edények", a különböző szabványok számítási eredményei nagymértékben eltérnek, ASME BPVC. Ⅷ-2017 "A nyomástartó edények építésének szabályai" számításai szerint a szűkítő kis végénél és az egyenes csővel való csatlakozásnál a megerősítés vastagsága a legnagyobb, és a GB 150-2011 "Nyomástartó edények" számítási eredményei valamivel kisebbek, mint az ASME BPVC-é. 2012 "Fém ipari csővezetékek - 3. rész: Tervezés és számítás" szabvány számítási eredményei lényegesen kisebbek. A végeselemes elemzés jelentős feszültségkoncentrációt mutat a befogadó kis végénél akár hajlítónyomaték, akár belső nyomásviszonyok esetén, a maximális feszültség körülbelül 2,0-szorosa a kis végénél lévő maximális feszültségnek.

0. Bevezetés

A reduktorok csőszerelvények amelyek két különböző átmérőjű csövet kötnek össze, és az ipari csőrendszerek fontos elemei. A reduktort általában a berendezések és a csővezeték importja és exportja, valamint a csővezetékben lévő ágcső közötti kapcsolatra használják a csőátmérő csökkentésére, ami megváltoztathatja a folyadék áramlási sebességét, lelassíthatja a folyadék erózióját a belső részeken, és csökkentheti a fogyasztást. csővezeték-anyagok. A gőzben használt reduktorok csőrendszer a hőerőművek acélcső öntött reduktorok, acéllemezből hegesztett reduktorok és acéllemezből hegesztett reduktorok excentrikus szűkítők. Acélcső öntő szűkítő a használata varrat nélküli acélcső a csiszoló forró sajtoló öntésen keresztül; a reduktor maga nem rendelkezik hegesztéssel, és az egyenes csővel hegesztett, hogy elhagyjon egy egyenes szakaszt, így nagy szilárdságú; acéllemezből hegesztett reduktor az acéllemezből vágják legyező alakúvá, a speciális berendezések használata hengerelt, mivel a reduktor maga hegesztés van, így az erő viszonylag alacsony. Az ipari termelésben gyakran előfordulnak reduktor meghibásodási balesetek, amelyek közül sokat a hegesztett reduktor kúp és a vevő hegesztési repedése okoz. A végeselemes elemzés azt is megállapította, hogy az acéllemezből hegesztett reduktor és a csővezeték hegesztésének hegesztett része nyilvánvaló feszültségkoncentrációs jelenséggel rendelkezik. Ezért az acéllemezből hegesztett reduktor tervezési folyamatában a csővezetékkel való csatlakozásnál a falvastagságot szigorúan kalibrálni kell.
A reduktor tervezési számítása a megfelelő csővezeték tervezési specifikációban megadott matematikai elemzési módszer szerint végezhető el. A DL/T 5054-2016 "Hőerőművi gőz" című energetikai ipari szabvány csővezeték-tervezés specifikáció" megadja az acélcső öntvény reduktor szilárdságszámítási és ellenőrzési módszerét, de nem az acéllemezből hegesztett reduktor számítási módszerét. Az acéllemezből hegesztett reduktor szilárdságszámítási és ellenőrzési módszere megtalálható az EN 13480-3-2012 "Fém ipari csővezetékek - 3. rész: Tervezés és számítás" című uniós szabványban, a GB 150-2011 "Nyomástartó edények" című kínai nemzeti szabványban, az ASME BPVC amerikai szabványban. ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" (Nyomástartályok építési szabályai) című szabványban szerepelnek, de a számítási módszerek eltérőek.
Ez a tanulmány elemzi a különböző belső nyomás és csőátmérő paraméterek hatását a reduktor kialakítására azáltal, hogy összehasonlítja és kiszámítja a hegesztett reduktor és hegesztett excentrikus szűkítő három különböző kínai, egyesült államokbeli és európai szabvány végeselemes számításai alapján elemezzük a szűkítő részletes feszültségeloszlási állapotát a belső nyomás és a hajlítónyomaték hatására, és megkapjuk az optimális megerősítési együtthatót. A számítási eredmények referenciát nyújtanak az acéllemezből hegesztett reduktor kiválasztásához és számításához.

1. Acéllemezből hegesztett reduktor szilárdságának számítása és ellenőrzési módszerei

A nyomás alatt álló csőalkatrészek szilárdságtervezésénél a szilárdságelmélet a maximális nyírófeszültség elmélete. A belső nyomás alatti egyenes csőfalvastagság képlete a vékonyréteg-modellből származik, és figyelembe veszi a hegesztett kötések és a hőmérséklet hatását. A csökkentett átmérőjű cső képlete az egyenes csőfalvastagság képletén alapul; figyelembe véve a kapott kúpos szakasz kúpszögét, a különböző szabványokban a képlet kúpos szakaszának minimális falvastagságát az 1. táblázat mutatja.
1. táblázat A szűkítő kúpos szakasz falvastagságának kiszámítása

Megjegyzés:: S a falvastagság, mm; p a tervezési nyomás, Pa; D_i a cső vagy a szűkítő belső átmérője, mm; D_o a cső vagy a szűkítő külső átmérője, mm; [σ]^t az anyag tervezési hőmérsékletén megengedett feszültség, MPa; η a megengedett feszültségkorrekciós együttható, dimenziótlan; θ a félkúpszög.
Amint az 1. táblázatból látható, a nyomás együtthatója az ASME BPVC számítási képletének nevezője alatt van. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" (Nyomástartó edények építési szabályai) 1,2, míg a GB 150-2011 "Pressure Vessels" és az EN GB 150-2011 "Pressure Vessels" és az EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3: Design and Calculation" (Fém ipari csővezetékek - 3. rész: Tervezés és számítás) nevezője alatti nyomás együtthatója 1. Mivel azonban a csőszabályzatban meghatározott hegesztett acél reduktorok megengedett nyomása alacsonyabb, ennek az eltérésnek a számítási eredményekre gyakorolt hatása nem jelentős.
A reduktor és az egyenes cső közötti kapcsolat nyilvánvaló feszültségkoncentrációval rendelkezik, ezért mindhárom szabványt a nagy és a kis végén lévő egyenes csőcsatlakozásra kalibrálták. A GB 150-2011-ben az első, a tervezési nyomás, a megengedhető feszültség és a hegesztési együttható alapján határozza meg, hogy szükség van-e a csatlakozás megerősítésére. Ha a megerősítendő vastagság növelésére van szükség, akkor a szűkítő és a vevő között kell beállítani a szakasz megerősítésére. A reduktor erősítő szakasznak és a vevő erősítő szakasznak azonos vastagságúnak kell lennie, a vevő vastagságának az alap minimális falvastagságában lévő vastagságnak a feszültségérték-növelő együtthatókkal megszorozva, amint az az (5) egyenletben látható:

S=QS₀ (5)

A képletben:

• S₀ a befogadó minimális falvastagsága, mm;
• Q a dimenziótlan feszültségérték-adaléktényezőhöz, a tervezési nyomás, a megengedhető feszültség és a hegesztési együttható a meghatározási méret, a GB 150-2011-ben a táblázatban, hogy megkapja.

ASME BPVC. VIII-2017 a teljesítendő nyomás alatt álló terület módszere szerint; a nyomás alatt álló terület Ar, amelynek a megerősített szakasznak meg kell felelnie, a következő

A_r=[kQR/[σ]^tE₁](1-Δ/θ) tanθ (6)

A képletben:

• R a vevőkészülék sugara, mm; k, Q, E és Δ a kiszámított korrelációs együtthatók, amelyek a specifikációban találhatók.

Az A tényleges terület_eL a nagy vég:

Az A tényleges terület_eS a kis végén van:

Az EN 13480-3-2012 szabványban először a (9) egyenlet segítségével kell meghatározni, hogy szükséges-e a megerősítés:

A képletben:

• β a számításhoz szükséges együttható, amelyet a specifikációban szereplő táblázat alapján kapunk.

2. Számítási eredmények

Számított cső- és szűkítőanyag a következőkhöz Q235, PN16 (1,6MPa) névleges tervezési nyomás, 200 ℃ tervezési hőmérséklet, 15 °-os szűkítő félkúpszög. A 2. táblázat a nagy végén a cső reduktor vevő a vastagsága a megerősítés a számítási eredmények, GB 150-2011 "Pressure Vessel" a nagy végén a cső reduktor nincs megerősítés követelmények, EN 13480-3-2012 "Fém ipari csővezetékek-Part 3: Tervezés és számítás". A számítási eredmény a nagy végén kisebb, mint a befogadó minimális falvastagsága, és a tényleges tervezés során nem végezhető külön számítás. ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" (Nyomástartó edények építési szabályai) szerint a megerősítés vastagsága körülbelül az egyenes cső minimális falvastagságának 1,3-1,4-szerese, és a számítási eredmény a legkonzervatívabb. Ez a legkonzervatívabb számítás.
2. táblázat Megerősítés vastagsága a nagy végénél

Közös			A megerősítés vastagsága a nagy végen
A nagyméretű csatlakozócső külső átmérője	A nagy fúvóka minimális falvastagsága	A kúpszelvény minimális falvastagsága	GB 150-2011	EN 13480-3-2012	ASME BPVC.VIII-2017
2438	21	21.6	Nincs szükség megerősítésre	10.1 (Nincs szükség megerősítésre)	29
2235	19.2	19.7	Nincs szükség megerősítésre	9.2 (Nincs szükség megerősítésre)	26
2032	17.5	17.9	Nincs szükség megerősítésre	8.4 (Nincs szükség megerősítésre)	24
1829	15.7	16	Nincs szükség megerősítésre	7.6 (Nincs szükség megerősítésre)	22
1626	14	14.2	Nincs szükség megerősítésreement	6,7 (nincs szükség megerősítésre)	19
1422	12.2	12.3	Nincs szükség megerősítésre	5.9 (nincs szükség megerősítésre)	17

A 3. táblázat a szűkítő kis végénél lévő vevőnél lévő vastagsági megerősítés számítási eredményeit tartalmazza. Az EN 13480-3-2012 "Fém ipari csővezetékek - 3. rész: Tervezés és számítás" számítások a legkisebbek, hasonlóan a befogadó minimális falvastagságához, kivéve a 2235 mm külső átmérőnél a megerősítés vastagsága kisebb, mint a befogadó minimális falvastagsága. GB 150-2011 "Nyomástartó edények" és ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" (Nyomástartó edények építési szabályai) falvastagságú megerősítés jelentősen nagyobb, mint a befogadó minimális falvastagsága. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" a megerősített vastagság körülbelül 1,5-2,0-szorosa az egyenes cső minimális falvastagságának. GB 150-2011 "Nyomástartó edények" a megerősített vastagság körülbelül 1,4-szerese az egyenes cső minimális falvastagságának. A falvastagság megerősítése a kis végű befogadóban nagyobb, mint a nagy végű befogadóban, és a megerősítés számítása az ASME BPVC szerint történik. VIII-2017, Rules for Construction of Pressure Vessels (Nyomástartó edények építési szabályai) című kiadványban még mindig a legkonzervatívabb.
A 4. táblázat a nagy végű külső átmérő 1626 mm, a kis végű külső átmérő 1219 mm, Q235 anyag, névleges nyomás PN16 (1.6MPa), a tervezési hőmérséklet 200 ℃ reduktorok különböző félkúp szögű körülmények között a kiegészítő vastagság számítás. A számítási eredményekből látható, hogy a csővevő kis vége esetében a három szabvány a megerősítés vastagságában a félkúpszöggel jelentősen megnő. A vevő nagy végére az ASME BPVC. VIII-2017 megerősítési követelmények is növekednek a kúpszög növekedésével, GB 150-2011 és EN 13480-3-2012 a nagy végén a vevő nem megerősítési követelmények. Ezért a tervezési folyamat során a szűkítő kúpszögét a lehető legkisebbre kell csökkenteni, ha a hely megengedi.
3. táblázat A kis végmerevítés vastagsága

Kis vég csatlakozó cső		Kis végerősítés vastagsága
Névleges külső átmérő	Minimális falvastagság	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

4. táblázat A kúpszög hatása a megerősítés vastagságára

Szög/(°)	Kis végerősítés vastagsága/mm			Nagy végerősítés vastagsága/mm
	GB 150	EN 13480	ASME VIII	GB 150	EN 13480	ASME VIII
10	13.6	9	16	Nincs szükség megerősítésre	Nincs szükség megerősítésre	18
15	14.7	11	18	Nincs szükség megerősítésre	Nincs szükség megerősítésre	19
20	16.8	12	20	Nincs szükség megerősítésre	Nincs szükség megerősítésre	21
25	18.9	14	22	Nincs szükség megerősítésrent	Nincs szükség megerősítésre	23
30	19.9	16	25	Nincs szükség megerősítésre	Nincs szükség megerősítésre	24

3. Végeselemes analízis

A reduktor külső erő hatására fellépő feszültségeloszlásának részletesebb leírása érdekében végeselemes analízis számításokat végeztek a reduktoron és az egyenes csőbefogadón. A modell kis végének átmérője 200 mm, a befogadó nagy végének átmérője 300 mm, a befogadó cső hossza 800 mm, a reduktor félkúpszöge pedig 15°. A strukturált hálót használjuk, 6 rétegű hálóval a falvastagság irányában, és a hálószemek teljes száma 1,15 millió, amelyet a háló korrelációjával igazoltunk, hogy megfeleljen a feszültségelemzés igényeinek. A modellt csak a hajlítónyomaték hatására, csak a belső nyomás hatására, és egyidejűleg a hajlítónyomaték és a belső nyomás hatására a Von-Mises-feszültségeloszlást számították ki. A hajlítónyomaték 5000N-m, a belső nyomás pedig 1,6MPa.

1. ábra A reduktor Von-Mises-feszültségeloszlása belső nyomás alatt/Pa
Az 1. ábra a Von-Mises-feszültség eloszlását mutatja csak belső nyomás alatt. Mint látható az ábrán, a kis végén a vevő és a közepén a szűkítő közelében a kis végén a belső fal a cső a feszültség értéke a legnagyobb régió, nincs feszültség koncentráció a vevő, éppen ellenkezőleg, a kis végén a vevő miatt a szerepe a belső nyomás kifelé nyomja, a stressz kisebb, mint a belső fal az egyenes cső. Az egyenes csőben, belső nyomás esetén a belső fal a feszültség maximális értéke, és a falvastagság növekedésével a belső falon a feszültség fokozatosan csökken a csőátmérő növekedésével.
A 2. ábra a Von-Mises-feszültségek eloszlását mutatja csak a hajlítónyomaték hatására. A hajlítónyomaték hatására a feszültségkoncentráció a csőszűkítő kis végének külső oldalán a hegesztésnél sokkal nyilvánvalóbb, és az elszenvedett feszültség körülbelül 2,0-szorosa az egyenes cső kis végének maximális feszültségének, amint az a 2. a) ábrán látható. A befogadó nagy végén a belső fal felőli oldalon a feszültség szintén kissé megnövekedett, de sokkal kisebb, mint a befogadó kis végén, mint például a 2. (b) ábrán. A fenti pozíció egyben az a pozíció is, ahol a reduktor meghibásodása gyakran előfordul a gyártási folyamat során.
A 3. ábra a Von-Mises-feszültségek eloszlását mutatja a hajlítónyomaték és a belső nyomás együttes hatására. A hajlítónyomaték hatására a feszültségkoncentráció külső oldalán hegesztett reduktor kis vége nyilvánvalóbb; a maximális feszültség valamivel kisebb, mint csak a hajlítónyomaték hatására, mint például a 3. ábra (a), ez a belső nyomásnak köszönhető, amely ellensúlyozza a hajlítónyomatékot, hogy az egyenes cső hajlítási tendenciát eredményezzen. A befogadó nagy végén a belső fal oldalán a feszültség szintén kissé megnövekedett, de sokkal kisebb, mint a befogadó kis végén, amint az a 3. (b) ábrán látható.

A végeselemes analízis eredményeinek és a kód alapján számított eredmények összehasonlítása alapján a falmegerősítés értéke az egyes szabványok kis végénél nagyobb, mint a megfelelő nagy végű falmegerősítés értéke, mivel a feszültségkoncentráció a kis végű vevőnél nyilvánvalóbb. Kis kúpszög esetén a csatlakozás nagy vége, akár belső nyomás, akár hajlítónyomaték alatt áll, a feszültségkoncentráció nem nyilvánvaló; ezért a legtöbb körülmények között nincs szükség a megerősítésre. A 3. táblázatból láthatóak a számítási eredmények, ASME BPVC. VIII-2017 számított falvastagság megerősítése a kis végcsatlakozás cső falvastagsága a vevő minimális falvastagsága 1,5-2 alkalommal, GB 150-2011 számított eredmények körülbelül 1,4-szer, míg az EN 13480-3-2012 számított falvastagság megerősítés vastagsága közel vagy akár kevesebb, mint a vevő minimális falvastagsága. Ezzel szemben az ASME BPVC. VIII-2017 falvastagság-erősítés számítási eredményei közelebb állnak a végeselemes elemzéshez.

2. ábra A reduktor Von-Mises-feszültségeloszlása hajlítási pillanat/fPa alatt

4. Következtetés

Ebben a tanulmányban három különböző kínai, egyesült államokbeli és európai szabványt használtak a hegesztett reduktor összehasonlítására és kiszámítására. Hegesztették az excentrikus reduktort, és elemezték a különböző paraméterek hatását a reduktor kialakítására. A végeselemes módszerrel elemezték a reduktor részletes feszültségeloszlási állapotát a belső nyomás és a hajlítónyomaték hatására, és a következő következtetéseket kapták:

• 1) Az acéllemezből hegesztett reduktor kis vége és a vevőkészülék csatlakozása nyilvánvaló feszültségkoncentrációt eredményez a hajlítónyomaték hatására. A tervezés során figyelmet kell fordítani a falvastagság megerősítésére.
• 2) Helyi körülmények esetén a szűkítő kúp felső szögének minimalizálása biztonságosabbá és megbízhatóbbá teheti a kialakítást. Minél kisebb a kúpszög, annál kisebb a falvastagság növelésének vastagsága. De elvileg a reduktor falvastagsága nem lehet kisebb, mint a vevő falvastagsága.
• 3) A kínai, amerikai és európai három kódon keresztül a hegesztett csőszűkítő számítás és a végeselemes elemzés eredményeinek összehasonlítása, ASME BPVC. VIII-2017 kazánok és nyomástartó edények viszonylag konzervatívak, míg az EN 13480-3-2012 számítási eredményei nyilvánvalóan kicsik, ASME BPVC. VIII-2017 számítása acélcső hegesztett cső reduktor falvastagság a kis végén a megerősítés az eredmények és a végeselemes elemzés közelebb van. A végeselemes elemzés közelebb van.
• 4) Ha az egyenes cső falvastagsága nem felel meg a falvastagság-megerősítés követelményének, akkor a szűkítő és az egyenes cső között megerősítésként egy olyan egyenes csőszakaszt kell hegeszteni, amely megfelel a megerősítés vastagságának.

3. ábra A szűkítő feszültségeloszlása hajlítónyomaték és belső nyomás alatt Von-Mises/Pa

Szerző: Liu Lu