Ricerca sul metodo di calcolo per la verifica della resistenza del riduttore

Ricerca sul metodo di calcolo per la verifica della resistenza del riduttore

Il riduttore è un importante strumento per la produzione di vapore e acqua. componente delle tubazioni nelle caldaie delle centrali elettriche. I metodi di calcolo e di verifica della resistenza di lamiera d'acciaio I riduttori saldati in tre standard di Cina, Stati Uniti ed Europa sono analizzati in modo comparativo, e la distribuzione locale delle sollecitazioni di Riduttori è analizzato mediante calcolo agli elementi finiti. I risultati mostrano che per il calcolo dello spessore della parete del riduttore, i metodi di calcolo dei diversi standard sono molto simili. La differenza nei risultati di calcolo è molto ridotta. Tuttavia, per quanto riguarda la verifica della resistenza della connessione tra il riduttore e il tubo diritto, la differenza tra i risultati di calcolo delle diverse norme è grande, e i risultati di calcolo dell'ASME BPVC. Ⅷ-2017 Rules for Construction of Pressure Vessels mostrano che la resistenza dell'estremità piccola del riduttore con il tubo diritto è molto alta, mentre la resistenza dell'estremità piccola del riduttore con il tubo diritto è molto bassa. GB 150-2011 "Pressure Vessels", i risultati di calcolo delle diverse norme differiscono notevolmente, ASME BPVC. Il documento Ⅷ-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" ha calcolato che lo spessore del rinforzo all'estremità piccola del riduttore e del collegamento con il tubo diritto è il più grande, e i risultati del calcolo del GB 150-2011 "Pressure Vessels" sono leggermente inferiori a quelli dell'ASME BPVC. I risultati di calcolo della norma 2012 "Metallic industrial piping-Part 3: Design and Calculation" sono significativamente inferiori. L'analisi agli elementi finiti mostra una significativa concentrazione di sollecitazioni all'estremità piccola del ricevitore sia in condizioni di momento flettente che di pressione interna, con una sollecitazione massima pari a circa 2,0 volte la sollecitazione massima all'estremità piccola.

0. Introduzione

I riduttori sono raccordi per tubi che collegano due tubi di diametro diverso e sono componenti importanti dei sistemi di tubazioni industriali. Il riduttore è generalmente utilizzato per il collegamento tra l'importazione e l'esportazione di attrezzature e tubazioni e il tubo di derivazione nella tubazione per ridurre il diametro del tubo, che può modificare la portata del fluido, rallentare l'erosione del fluido sulle parti interne e ridurre il consumo di materiali per condutture. I riduttori utilizzati per il vapore sistema di tubazioni delle centrali termoelettriche includono tubo d'acciaio Riduttori stampati, riduttori saldati in lamiera d'acciaio e riduttori saldati in lamiera d'acciaio. Riduttori eccentrici. Il riduttore per lo stampaggio di tubi in acciaio è l'uso di tubo in acciaio senza saldatura Il riduttore stesso non ha una saldatura e con il tubo dritto saldato lascia una sezione dritta, quindi ha un'alta resistenza; il riduttore saldato a piastra d'acciaio è attraverso la piastra d'acciaio tagliata a forma di ventaglio, l'uso di attrezzature specifiche rotolate dentro, a causa del riduttore stesso c'è una saldatura, quindi la resistenza è relativamente bassa. Nella produzione industriale si verificano spesso incidenti legati a guasti del riduttore, molti dei quali sono causati da cricche di saldatura del cono del riduttore e del ricevitore. L'analisi agli elementi finiti ha inoltre rilevato che la parte saldata del riduttore in lamiera d'acciaio e la saldatura della condotta presentano un evidente fenomeno di concentrazione delle sollecitazioni. Pertanto, nel processo di progettazione del riduttore saldato in lamiera d'acciaio, lo spessore della parete in corrispondenza del collegamento con la tubazione deve essere rigorosamente calibrato.
Il calcolo del progetto del riduttore può essere effettuato in base al metodo di analisi matematica indicato nelle specifiche di progettazione della condotta corrispondente. La norma dell'industria energetica DL/T 5054-2016 "Impianti di produzione di vapore per centrali termiche progettazione delle tubazioni La "specifica" fornisce il metodo di calcolo della resistenza e di verifica del riduttore per stampaggio di tubi in acciaio, ma non il metodo di calcolo del riduttore saldato in lamiera d'acciaio. Il metodo di calcolo della resistenza e di verifica del riduttore saldato in lamiera d'acciaio è indicato nella norma europea EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3: Design and Calculation", nella norma nazionale cinese GB 150-2011 "Pressure Vessels", nella norma americana ASME BPVC. ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels", ma i metodi di calcolo sono diversi.
Il presente documento analizza l'influenza di diversi parametri di pressione interna e di diametro del tubo sulla progettazione del riduttore, confrontando e calcolando i valori di pressione interna e di diametro del tubo. riduttore saldato e riduttore eccentrico saldato di tre diversi standard in Cina, negli Stati Uniti e in Europa attraverso calcoli agli elementi finiti, viene analizzato lo stato dettagliato della distribuzione delle sollecitazioni del riduttore sotto l'azione della pressione interna e del momento flettente e si ottiene il coefficiente di rinforzo ottimale. I risultati dei calcoli forniscono un riferimento per la selezione e il calcolo del riduttore saldato in lamiera d'acciaio.

1. Calcolo della resistenza del riduttore saldato a piastra d'acciaio e metodi di controllo

Nella progettazione della resistenza dei componenti dei tubi in pressione, la teoria della resistenza utilizzata è quella della massima sollecitazione di taglio. La formula dello spessore della parete del tubo rettilineo in pressione interna è derivata dal modello a film sottile e considera l'effetto dei giunti saldati e della temperatura. La formula del tubo a diametro ridotto si basa sulla formula dello spessore di parete del tubo diritto; tenendo conto dell'angolo di cono della sezione rastremata ottenuta, lo spessore di parete minimo della sezione rastremata della formula in diversi standard è mostrato nella Tabella 1.
Tabella.1 Calcolo dello spessore della parete della sezione conica del riduttore

Nota: S è lo spessore della parete, mm; p è la pressione di progetto, Pa; D_i è il diametro interno del tubo o del riduttore, mm; D_o è il diametro esterno del tubo o del riduttore, mm; [σ]^t è la sollecitazione ammissibile alla temperatura di progetto del materiale, MPa; η è il coefficiente di correzione della sollecitazione ammissibile, adimensionale; θ è l'angolo di mezzo cono.
Come si evince dalla Tabella 1, il coefficiente di pressione è inferiore al denominatore della formula di calcolo dell'ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" è pari a 1,2, mentre il coefficiente di pressione al di sotto del denominatore delle norme GB 150-2011 "Pressure Vessels" e EN GB 150-2011 "Pressure Vessels" e EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3: Design and Calculation" ha un coefficiente pari a 1. Tuttavia, poiché la pressione ammissibile dei riduttori in acciaio saldato specificata nelle norme sulle tubazioni è inferiore, l'effetto di questa deviazione sui risultati del calcolo non è significativo.
Il collegamento tra il riduttore e il tubo diritto presenta un'evidente concentrazione di tensioni, pertanto tutte e tre le norme sono calibrate per il collegamento del tubo diritto rispettivamente all'estremità grande e piccola. Nella norma GB 150-2011, per prima cosa, in base alla pressione di progetto, alle sollecitazioni ammissibili e al coefficiente di saldatura, si determina la necessità di rinforzare la connessione. Quando è necessario aumentare lo spessore da rinforzare, è necessario impostare la sezione di rinforzo tra il riduttore e il ricevitore. La sezione di rinforzo del riduttore e la sezione di rinforzo del ricevitore devono avere lo stesso spessore, lo spessore dello spessore del ricevitore nello spessore minimo della parete della base moltiplicato per i coefficienti di valore aggiunto delle sollecitazioni, come mostrato nell'equazione (5):

S=QS₀ (5)

Nella formula:

• S₀ è lo spessore minimo della parete del ricevitore, in mm;
• Q per il fattore di aggiunta del valore di sollecitazione adimensionale, per la pressione di progetto, la sollecitazione ammissibile e il coefficiente di saldatura della dimensione di determinazione, in GB 150-2011 nella tabella per ottenere.

ASME BPVC. L'VIII-2017 si basa sul metodo dell'area pressurizzata che deve essere soddisfatta; l'area pressurizzata Ar che la sezione rinforzata deve soddisfare è

A_r=[kQR/[σ]^tE₁](1-Δ/θ) tanθ (6)

Nella formula:

• R è il raggio del ricevitore, mm; k, Q, E e Δ sono i coefficienti di correlazione calcolati, riportati nelle specifiche.

L'area effettiva A_eL del grande finale:

L'area effettiva A_eS all'estremità piccola è:

Nella EN 13480-3-2012, è necessario innanzitutto determinare se è necessario un rinforzo attraverso l'equazione (9):

Nella formula:

• β è il coefficiente necessario per il calcolo, ottenuto controllando la tabella delle specifiche.

2. Risultati del calcolo

Calcolo del materiale dei tubi e dei riduttori per Q235pressione nominale di progetto PN16 (1,6MPa), temperatura di progetto di 200 ℃, angolo del semicono del riduttore di 15°. Tabella 2 per l'estremità grande del ricevitore del riduttore del tubo allo spessore del rinforzo dei risultati del calcolo, GB 150-2011 "Pressure Vessel" per l'estremità grande del riduttore del tubo non ha requisiti di rinforzo, EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3: Design and Calculation". Il risultato del calcolo all'estremità grande è inferiore allo spessore minimo della parete del ricevitore e non è possibile effettuare un calcolo specifico nella progettazione effettiva. ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" prevede uno spessore di rinforzo pari a circa 1,3-1,4 volte lo spessore minimo della parete del tubo diritto e il risultato del calcolo è il più conservativo. Questo è il calcolo più conservativo.
Tabella.2 Spessore dell'armatura all'estremità grande

Giunto			Spessore dell'armatura all'estremità grande
Diametro esterno del tubo di collegamento dell'estremità grande	Spessore minimo della parete dell'ugello grande	Spessore minimo della parete della sezione conica	GB 150-2011	EN 13480-3-2012	ASME BPVC.VIII-2017
2438	21	21.6	Non è necessario un rinforzo	10,1 (non è necessario alcun rinforzo)	29
2235	19.2	19.7	Non è necessario un rinforzo	9,2 (non è necessario alcun rinforzo)	26
2032	17.5	17.9	Non è necessario un rinforzo	8,4 (non è necessario alcun rinforzo)	24
1829	15.7	16	Non è necessario un rinforzo	7,6 (non è necessario alcun rinforzo)	22
1626	14	14.2	Non c'è bisogno di rinforziemento	6,7 (non è necessario alcun rinforzo)	19
1422	12.2	12.3	Non è necessario un rinforzo	5,9 (non è necessario alcun rinforzo)	17

La Tabella 3 riporta i risultati del calcolo dello spessore del rinforzo del ricevitore all'estremità piccola del riduttore. I calcoli della norma EN 13480-3-2012 "Metallic industrial piping-Part 3: Design and Calculation" sono i più piccoli, simili allo spessore minimo della parete del ricevitore, tranne che per il diametro esterno di 2235 mm, lo spessore del rinforzo è inferiore allo spessore minimo della parete del ricevitore. GB 150-2011 "Pressure Vessels" e ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" lo spessore del rinforzo è significativamente superiore allo spessore minimo della parete del ricevitore. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" lo spessore rinforzato è circa 1,5-2,0 volte lo spessore minimo della parete del tubo diritto. GB 150-2011 "Pressure Vessels" lo spessore rinforzato è circa 1,4 volte lo spessore minimo della parete del tubo diritto. Il rinforzo dello spessore della parete nel ricevitore dell'estremità piccola è maggiore di quello nel ricevitore dell'estremità grande e il calcolo del rinforzo è in ASME BPVC. VIII-2017, Rules for Construction of Pressure Vessels, è ancora il più conservativo.
La Tabella 4 riporta il diametro esterno dell'estremità grande di 1626 mm, il diametro esterno dell'estremità piccola di 1219 mm, il materiale Q235, la pressione nominale PN16 (1,6 MPa), la temperatura di progetto di 200 ℃ dei riduttori in diverse condizioni di angolo di semicono del calcolo dello spessore complementare. Dai risultati del calcolo, si può notare che, per l'estremità piccola del ricevitore del tubo, i tre standard nello spessore del rinforzo con l'angolo di semicono aumentano significativamente. Per l'estremità grande del ricevitore, i requisiti di armatura ASME BPVC. VIII-2017 i requisiti di rinforzo aumentano con l'aumento dell'angolo del cono, mentre GB 150-2011 e EN 13480-3-2012 non prevedono requisiti di rinforzo per l'estremità grande del ricevitore. Pertanto, nel processo di progettazione, l'angolo di conicità del riduttore deve essere ridotto al minimo quando lo spazio lo consente.
Tabella 3 Spessore dell'armatura di testa piccola

Tubo di collegamento dell'estremità piccola		Spessore dell'armatura dell'estremità piccola
Diametro esterno nominale	Spessore minimo della parete	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

Tabella 4 Effetto dell'angolo del cono sullo spessore dell'armatura

Angolo/(°)	Spessore del rinforzo dell'estremità piccola/mm			Spessore del rinforzo dell'estremità grande/mm
	GB 150	EN 13480	ASME VIII	GB 150	EN 13480	ASME VIII
10	13.6	9	16	Non è necessario un rinforzo	Non è necessario un rinforzo	18
15	14.7	11	18	Non è necessario un rinforzo	Non è necessario un rinforzo	19
20	16.8	12	20	Non è necessario un rinforzo	Non è necessario un rinforzo	21
25	18.9	14	22	Non c'è bisogno di rinforzin.t.	Non è necessario un rinforzo	23
30	19.9	16	25	Non è necessario un rinforzo	Non è necessario un rinforzo	24

3. Analisi agli elementi finiti

Per ottenere maggiori dettagli sulla distribuzione delle sollecitazioni del riduttore sotto la forza esterna, sono stati eseguiti calcoli di analisi agli elementi finiti sul riduttore e sul tubo ricevitore diritto. Il diametro dell'estremità piccola del modello è di 200 mm, il diametro dell'estremità grande del ricevitore è di 300 mm, la lunghezza del tubo ricevitore è di 800 mm e l'angolo di semicono del riduttore è di 15°. È stata utilizzata una maglia strutturata, con 6 strati di maglia nella direzione dello spessore della parete, e il numero totale di maglie è di 1,15 milioni, verificato dalla correlazione della maglia per soddisfare le esigenze dell'analisi delle sollecitazioni. Il modello è stato calcolato solo per l'azione del momento flettente, solo per l'azione della pressione interna e contemporaneamente per l'azione del momento flettente e della pressione interna della distribuzione delle sollecitazioni di Von-Mises. Il momento flettente è di 5000N-m e la pressione interna è di 1,6MPa.

Fig.1 Distribuzione delle tensioni Von-Mises del riduttore sotto pressione interna/Pa
La Fig. 1 mostra la distribuzione delle sollecitazioni di Von-Mises sotto la sola pressione interna. Come si può notare dalla figura, l'estremità piccola del ricevitore e il centro del riduttore vicino all'estremità piccola della parete interna del tubo per il valore di stress della regione più grande, non c'è concentrazione di stress nel ricevitore, al contrario, l'estremità piccola del ricevitore a causa del ruolo della pressione interna verso l'esterno, lo stress è minore rispetto alla parete interna del tubo diritto. Nel tubo rettilineo, in caso di pressione interna, la parete interna presenta il valore massimo di sollecitazione; con l'aumento dello spessore della parete, la sollecitazione sulla parete interna diminuisce gradualmente con l'aumento del diametro del tubo.
La Figura 2 mostra la distribuzione delle sollecitazioni Von-Mises sotto l'azione del solo momento flettente. Sotto l'azione del momento flettente, la concentrazione delle sollecitazioni all'esterno dell'estremità piccola del tubo riduttore in corrispondenza della saldatura è più evidente e la sollecitazione subita è circa 2,0 volte la sollecitazione massima dell'estremità piccola del tubo diritto, come mostrato nella Figura 2(a). Anche nell'estremità grande del ricevitore, sul lato della parete interna, la sollecitazione è leggermente aumentata, ma molto più bassa rispetto all'estremità piccola del ricevitore, come nella Figura 2 (b). La posizione sopra descritta è anche quella in cui spesso si verifica il cedimento del riduttore nel processo di produzione.
La Figura 3 mostra la distribuzione delle sollecitazioni Von-Mises sotto l'effetto combinato del momento flettente e della pressione interna. Sotto l'azione del momento flettente, l'estremità piccola del riduttore saldato all'esterno della concentrazione di sollecitazioni è più evidente; la sollecitazione massima è leggermente inferiore rispetto all'azione del solo momento flettente, come nella Figura 3 (a); ciò è dovuto alla pressione interna che compensa il momento flettente per rendere la tendenza alla flessione del tubo diritto. Anche nell'estremità grande del ricevitore, sul lato della parete interna, la sollecitazione è leggermente aumentata, ma molto più bassa rispetto all'estremità piccola del ricevitore, come mostrato nella Figura 3 (b).

Dal confronto tra i risultati dell'analisi agli elementi finiti e i risultati calcolati in base al codice, il valore di rinforzo della parete all'estremità piccola di ogni standard è maggiore del corrispondente valore di rinforzo della parete all'estremità grande, perché la concentrazione di sollecitazioni all'estremità piccola del ricevitore è più evidente. Nel caso di un angolo di cono piccolo, l'estremità grande della connessione, sia sotto pressione interna che sotto momento flettente, la concentrazione delle sollecitazioni non è evidente; pertanto, nella maggior parte delle condizioni, non è necessario rinforzarla. Dalla Tabella 3, i risultati del calcolo possono essere visti, ASME BPVC. VIII-2017 ha calcolato il rinforzo dello spessore della parete del tubo di connessione di piccole dimensioni per lo spessore minimo della parete del ricevitore di 1,5-2 volte, GB 150-2011 ha calcolato i risultati per circa 1,4 volte, mentre EN 13480-3-2012 ha calcolato lo spessore del rinforzo della parete vicino o addirittura inferiore allo spessore minimo della parete del ricevitore. Al contrario, ASME BPVC. VIII-2017 i risultati del calcolo dello spessore delle pareti sono più vicini all'analisi agli elementi finiti.

Fig.2 Distribuzione delle sollecitazioni Von-Mises del riduttore sotto momento flettente/fPa

4. Conclusione

In questo lavoro sono stati utilizzati tre diversi standard di Cina, Stati Uniti ed Europa per confrontare e calcolare il riduttore saldato. Hanno saldato il riduttore eccentrico e analizzato l'influenza di diversi parametri sulla progettazione del riduttore. Attraverso il metodo degli elementi finiti, è stato analizzato lo stato dettagliato della distribuzione delle sollecitazioni del riduttore sotto l'azione della pressione interna e del momento flettente, ottenendo le seguenti conclusioni:

• 1) L'estremità piccola del riduttore saldato in lamiera d'acciaio e il collegamento del ricevitore producono un'evidente concentrazione di tensioni sotto l'azione del momento flettente. Nella progettazione occorre prestare attenzione al rafforzamento dello spessore delle pareti.
• 2) In caso di condizioni di spazio, la riduzione al minimo dell'angolo superiore del cono del riduttore può rendere il progetto più sicuro e affidabile. Quanto minore è l'angolo del cono, tanto minore è lo spessore della parete di rinforzo. Tuttavia, in linea di principio, lo spessore della parete del riduttore non deve essere inferiore allo spessore della parete del ricevitore.
• 3) Attraverso i tre codici cinesi, americani ed europei per il calcolo del riduttore di tubi saldati e i risultati dell'analisi agli elementi finiti a confronto, l'ASME BPVC. VIII-2017 per caldaie e recipienti a pressione sono relativamente conservativi, mentre i risultati di calcolo della norma EN 13480-3-2012 sono ovviamente ridotti, ASME BPVC. VIII-2017 calcolo dello spessore della parete del riduttore di tubi saldati in acciaio all'estremità piccola del rinforzo dei risultati e l'analisi agli elementi finiti è più vicina. L'analisi agli elementi finiti è più vicina.
• 4) Quando lo spessore della parete del tubo diritto non soddisfa il requisito del rinforzo dello spessore della parete, è necessario saldare una sezione di tubo diritto che soddisfi lo spessore del rinforzo tra il riduttore e il tubo diritto come rinforzo.

Figura.3 Distribuzione delle sollecitazioni del riduttore in presenza di momento flettente e pressione interna Von-Mises/Pa

Autore: Liu Lu