Reduktoriaus stiprumo tikrinimo skaičiavimo metodo tyrimai

Reduktoriaus stiprumo tikrinimo skaičiavimo metodo tyrimai

Reduktorius yra svarbus garo ir vandens vamzdynų komponentas elektrinių katiluose. Projektavimo skaičiavimo ir stiprumo tikrinimo metodai plieno plokštė suvirinti reduktoriai pagal tris Kinijos, Jungtinių Amerikos Valstijų ir Europos standartus yra lyginamai analizuojami, o vietinis įtempių pasiskirstymas reduktoriai analizuojamas atliekant baigtinių elementų skaičiavimus. Rezultatai rodo, kad apskaičiuojant reduktoriaus sienelės storį, skirtingų standartų skaičiavimo metodai yra labai panašūs. Skaičiavimo rezultatų skirtumas yra labai mažas. Vis dėlto tikrinant reduktoriaus ir tiesaus vamzdžio jungties stiprumą, skirtingų standartų skaičiavimo rezultatų skirtumas yra didelis, o ASME BPVC skaičiavimo rezultatai skiriasi. Ⅷ-2017 slėginių indų konstrukcijos taisyklės rodo, kad reduktoriaus mažojo galo su tiesiu vamzdžiu stipris yra labai didelis, o reduktoriaus mažojo galo su tiesiu vamzdžiu stipris yra labai mažas. GB 150-2011 "Slėginiai indai", skirtingų standartų skaičiavimo rezultatai labai skiriasi, ASME BPVC. Ⅷ-2017 "Slėginių indų konstrukcijos taisyklėse" apskaičiuota, kad reduktoriaus mažojo galo ir jungties su tiesiu vamzdžiu armatūros storis yra didžiausias, o GB 150-2011 "Slėginiai indai" skaičiavimo rezultatai yra šiek tiek mažesni nei ASME BPVC. 2012 m. standarto "Metaliniai pramoniniai vamzdynai - 3 dalis: projektavimas ir skaičiavimas" skaičiavimo rezultatai yra gerokai mažesni. Baigtinių elementų analizė rodo, kad mažajame imtuvo gale esant lenkimo momentui arba vidiniam slėgiui susikaupia didelė įtempių koncentracija, o didžiausias įtempis yra maždaug 2,0 karto didesnis už didžiausią įtempį mažajame gale.

0. Įvadas

Reduktoriai yra vamzdžių jungiamosios detalės kurie jungia du skirtingo skersmens vamzdžius ir yra svarbūs pramoninių vamzdynų sistemų komponentai. Reduktorius paprastai naudojamas įrangos ir vamzdyno importo ir eksporto bei vamzdyno atšakos jungčiai ir vamzdyno atšakos vamzdžiui sumažinti, kad būtų sumažintas vamzdžio skersmuo, o tai gali pakeisti skysčio srauto greitį, sulėtinti skysčio eroziją ant vidinių dalių ir sumažinti sunaudojamų vamzdynų medžiagos. Garų sistemoje naudojami reduktoriai vamzdynų sistema šiluminių elektrinių plieninis vamzdis liejami reduktoriai, plieninės plokštės suvirinti reduktoriai ir plieninės plokštės suvirinti reduktoriai. ekscentriniai reduktoriai. Plieninių vamzdžių liejimo reduktorius yra naudojamas besiūliai plieniniai vamzdžiai per abrazyvinį karšto presavimo liejimą; pats reduktorius nėra suvirintas, o tiesus vamzdis suvirintas taip, kad liktų tiesus ruožas, todėl jis yra labai stiprus; plieninės plokštės suvirintas reduktorius yra per plieninę plokštę, supjaustytą į vėduoklės formą, naudojant specialią įrangą, suvyniotą į, nes pats reduktorius yra suvirintas, todėl stiprumas yra santykinai mažas. Pramoninėje gamyboje dažnai pasitaiko reduktoriaus gedimo avarijų, daugelis jų įvyksta dėl suvirinto reduktoriaus kūgio ir imtuvo suvirinimo įtrūkimų. Atlikus baigtinių elementų analizę taip pat nustatyta, kad plieninių plokščių suvirinto reduktoriaus ir vamzdyno suvirinimo suvirintojoje dalyje yra akivaizdus įtempių koncentracijos reiškinys. Todėl projektuojant plieninių plokščių suvirintą reduktorių, sienelės storis ties jungtimi su vamzdynu turi būti griežtai kalibruojamas.
Reduktoriaus konstrukcijos skaičiavimus galima atlikti pagal matematinės analizės metodą, pateiktą atitinkamoje vamzdyno projektavimo specifikacijoje. Energetikos pramonės standartas DL/T 5054-2016 "Šiluminių elektrinių garo vamzdynų projektavimas specifikacijoje" pateikiamas plieninių vamzdžių liejimo reduktoriaus stiprumo skaičiavimo ir tikrinimo metodas, tačiau nepateikiamas plieninių plokščių suvirintų reduktorių skaičiavimo metodas. Plieninių plokščių suvirintų reduktorių stiprumo skaičiavimo ir tikrinimo metodas pateiktas ES standarte EN 13480-3-2012 "Metaliniai pramoniniai vamzdynai - 3 dalis: projektavimas ir skaičiavimas", Kinijos nacionaliniame standarte GB 150-2011 "Slėginiai indai", Amerikos standarte ASME BPVC. ASME BPVC. VIII-2017 "Slėginiai indai" pateikiamos slėginių indų konstravimo taisyklės, tačiau skaičiavimo metodai skiriasi.
Šiame straipsnyje analizuojama skirtingų vidinio slėgio ir vamzdžio skersmens parametrų įtaka reduktoriaus konstrukcijai, lyginant ir apskaičiuojant suvirintas reduktorius ir suvirintas ekscentrinis reduktorius trijų skirtingų Kinijos, Jungtinių Amerikos Valstijų ir Europos standartų, atliekant baigtinių elementų skaičiavimus, analizuojama išsami reduktoriaus įtempių pasiskirstymo būklė veikiant vidiniam slėgiui ir lenkimo momentui ir nustatomas optimalus armavimo koeficientas. Skaičiavimų rezultatai yra plieno plokščių suvirinto reduktoriaus parinkimo ir skaičiavimo orientyras.

1. Plieninių plokščių suvirintų reduktorių stiprumo skaičiavimo ir tikrinimo metodai

Projektuojant slėginių vamzdžių komponentų stiprumą, naudojama didžiausio šlyties įtempio teorija. Tiesiosios vamzdžio sienelės storio formulė, veikiant vidiniam slėgiui, išvedama iš plonos plėvelės modelio ir joje atsižvelgiama į suvirintųjų jungčių ir temperatūros poveikį. Sumažinto skersmens vamzdžio formulė grindžiama tiesaus vamzdžio sienelės storio formule; atsižvelgiant į gautą kūginio pjūvio kūgio kampą, mažiausias kūginio pjūvio sienelės storis pagal skirtingų standartų formulę pateiktas 1 lentelėje.
1 lentelė Reduktoriaus kūginės dalies sienelių storio skaičiavimas

Pastaba: S - sienelės storis, mm; p - projektinis slėgis, Pa; D_i vidinis vamzdžio arba reduktoriaus skersmuo, mm; D_o vamzdžio arba reduktoriaus išorinis skersmuo, mm; [σ]^t leistinasis įtempis esant projektinei medžiagos temperatūrai, MPa; η - leistinasis įtempių pataisos koeficientas, be matmenų; θ - pusės kūgio kampas.
Kaip matyti iš 1 lentelės, slėgio koeficientas yra mažesnis už ASME BPVC skaičiavimo formulės vardiklį. VIII-2017 "Slėginių indų konstravimo taisyklės" yra 1,2, o GB 150-2011 "Slėginiai indai" ir EN GB 150-2011 "Slėginiai indai" ir EN 13480-3-2012 "Metaliniai pramoniniai vamzdynai - 3 dalis: projektavimas ir skaičiavimas" slėgio mažesnis už vardiklį koeficientas yra 1. Tačiau, kadangi vamzdžių taisyklėse nurodytas suvirintų plieninių reduktorių leistinasis slėgis yra mažesnis, šio nuokrypio įtaka skaičiavimo rezultatams nėra didelė.
Jungtis tarp reduktoriaus ir tiesaus vamzdžio pasižymi akivaizdžia įtempių koncentracija, todėl visi trys etalonai kalibruojami tiesaus vamzdžio jungčiai atitinkamai didžiajame ir mažajame galuose. Pagal GB 150-2011, pirmiausia pagal projektinį slėgį, leistinąjį įtempį ir suvirinimo koeficientą nustatomas poreikis sustiprinti jungtį. Kai reikia padidinti stiprintiną storį, reikėtų nustatyti tarp reduktoriaus ir imtuvo, kad būtų sustiprinta atkarpa. Reduktoriaus stiprinimo sekcijos ir imtuvo stiprinimo sekcijos storis turėtų būti vienodo storio, imtuvo storis - mažiausio sienelės storio pagrindo storis, padaugintas iš įtempių vertės pridėtinių koeficientų, kaip parodyta (5) lygtyje:

S=QS₀ (5)

Formulėje:

• S₀ mažiausias imtuvo sienelių storis, mm;
• Q - bedimensinis įtempių vertės pridėtinis koeficientas pagal projektinį slėgį, leistinąjį įtempį ir suvirinimo koeficiento nustatymo dydį, GB 150-2011 lentelėje, kad gautumėte.

ASME BPVC. VIII-2017 yra pagal slėgiu veikiamo ploto, kurį reikia atitikti, metodą; slėgiu veikiamas plotas Ar, kurį turi atitikti sustiprinta dalis, yra

A_r=[kQR/[σ]^tE₁](1-Δ/θ) tanθ (6)

Formulėje:

• R - imtuvo spindulys, mm; k, Q, E ir Δ - apskaičiuoti koreliacijos koeficientai, kuriuos galima rasti specifikacijoje.

Efektyvusis plotas A_eL didžiojo galo yra:

Efektyvusis plotas A_eS mažajame gale yra:

Pagal EN 13480-3-2012 standartą pirmiausia reikia nustatyti, ar reikia armuoti, taikant (9) lygtį:

Formulėje:

• β yra skaičiavimams reikalingas koeficientas, gautas patikrinus specifikacijoje pateiktą lentelę.

2. Skaičiavimo rezultatai

Apskaičiuota vamzdžio ir reduktoriaus medžiaga Q235, projektinis vardinis slėgis PN16 (1,6 MPa), projektinė temperatūra 200 ℃, reduktoriaus pusės kūgio kampas 15 °. 2 lentelė, skirta didžiajam vamzdžio reduktoriaus imtuvo galui pagal skaičiavimo rezultatų armatūros storį, GB 150-2011 "Slėginis indas" didžiajam vamzdžio reduktoriaus galui netaikomi reikalavimai dėl armatūros, EN 13480-3-2012 "Metaliniai pramoniniai vamzdynai - 3 dalis: projektavimas ir skaičiavimas". Skaičiavimo rezultatas didžiajame gale yra mažesnis už mažiausią imtuvo sienelės storį, todėl faktiškai projektuojant negalima atlikti jokių konkrečių skaičiavimų. ASME BPVC. VIII-2017 "Slėginių indų konstrukcijos taisyklės" nustatyta, kad armatūros storis yra maždaug 1,3-1,4 karto didesnis už mažiausią tiesaus vamzdžio sienelės storį, ir skaičiavimo rezultatas yra konservatyviausias. Šis skaičiavimas yra konservatyviausias.
2 lentelė Armatūros storis didžiajame gale

Bendras			Armatūros storis didžiajame gale
Didžiojo galinio jungiamojo vamzdžio išorinis skersmuo	Mažiausias didelio galinio antgalio sienelių storis	Mažiausias kūgio profilio sienelių storis	GB 150-2011	EN 13480-3-2012	ASME BPVC.VIII-2017
2438	21	21.6	Nereikia sutvirtinti	10.1 (sutvirtinti nereikia)	29
2235	19.2	19.7	Nereikia sutvirtinti	9,2 (sutvirtinti nereikia)	26
2032	17.5	17.9	Nereikia sutvirtinti	8,4 (sutvirtinti nereikia)	24
1829	15.7	16	Nereikia sutvirtinti	7,6 (sutvirtinti nereikia)	22
1626	14	14.2	Nereikia pastiprinimoement	6,7 (sutvirtinti nereikia)	19
1422	12.2	12.3	Nereikia sutvirtinti	5,9 (sutvirtinti nereikia)	17

3 lentelėje pateikiami reduktoriaus mažojo galo imtuvo sustiprinimo storio skaičiavimo rezultatai. EN 13480-3-2012 "Metaliniai pramoniniai vamzdynai - 3 dalis: projektavimas ir skaičiavimas" skaičiavimai yra mažiausi, panašūs į mažiausią imtuvo sienelės storį, išskyrus 2235 mm išorinį skersmenį, kurio armatūros storis yra mažesnis už mažiausią imtuvo sienelės storį. GB 150-2011 "Slėginiai indai" ir ASME BPVC. VIII-2017 "Slėginių indų konstrukcijos taisyklės" sienelių storio armatūra yra gerokai didesnė už mažiausią imtuvo sienelių storį. VIII-2017 "Slėginių indų konstravimo taisyklės" sustiprintas storis yra maždaug 1,5-2,0 karto didesnis už mažiausią tiesaus vamzdžio sienelės storį. GB 150-2011 "Slėginiai indai" sustiprintas storis yra maždaug 1,4 karto didesnis už mažiausią tiesaus vamzdžio sienelės storį. Sienelės storio sustiprinimas mažojo galo imtuve yra didesnis nei didžiojo galo imtuve, o sustiprinimas apskaičiuojamas pagal ASME BPVC. VIII-2017 "Slėginių indų konstrukcijos taisyklės", vis dar yra konservatyviausias.
4 lentelėje pateikiamas didžiojo galo išorinis skersmuo 1626 mm, mažojo galo išorinis skersmuo 1219 mm, medžiaga Q235, vardinis slėgis PN16 (1,6 MPa), projektinė temperatūra 200 ℃ reduktorių skirtingomis pusės kūgio kampo sąlygomis papildomo storio skaičiavimo. Iš skaičiavimo rezultatų matyti, kad mažojo galo vamzdžio imtuvo atveju trys armatūros storio standartai su pusės kūgio kampu gerokai padidėja. Didžiajam imtuvo galui ASME BPVC. VIII-2017 reikalavimai armatūrai taip pat didėja didėjant kūgio kampui, GB 150-2011 ir EN 13480-3-2012 dėl didelio imtuvo galo reikalavimų armatūrai nėra. Todėl projektuojant reduktoriaus kūgio kampas turėtų būti kuo labiau sumažintas, kai tik leidžia erdvė.
Lentelė.3 Mažojo galo armatūros storis

Mažasis jungiamasis vamzdis		Mažojo galo armatūros storis
Nominalus išorinis skersmuo	Mažiausias sienelių storis	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 lentelė Kūgio kampo poveikis armatūros storiui

Kampas/(°)	Mažojo galo armatūros storis/mm			Didelis galinės armatūros storis/mm
	GB 150	EN 13480	ASME VIII	GB 150	EN 13480	ASME VIII
10	13.6	9	16	Nereikia sutvirtinti	Nereikia sutvirtinti	18
15	14.7	11	18	Nereikia sutvirtinti	Nereikia sutvirtinti	19
20	16.8	12	20	Nereikia sutvirtinti	Nereikia sutvirtinti	21
25	18.9	14	22	Nereikia stiprintint	Nereikia sutvirtinti	23
30	19.9	16	25	Nereikia sutvirtinti	Nereikia sutvirtinti	24

3. Baigtinių elementų analizė

Siekiant išsamiau apibūdinti reduktoriaus įtempių pasiskirstymą veikiant išorinei jėgai, buvo atlikti reduktoriaus ir tiesaus vamzdžio imtuvo baigtinių elementų analizės skaičiavimai. Modelio mažojo galo skersmuo yra 200 mm, didžiojo imtuvo galo skersmuo - 300 mm, imtuvo vamzdžio ilgis - 800 mm, o reduktoriaus pusės kūgio kampas - 15°. Naudojamas struktūrinis tinklelis, kurio sienelės storio kryptimi yra 6 tinklelio sluoksniai, o bendras tinklelio akučių skaičius yra 1,15 mln. akučių, kurios, patikrinus tinklelio koreliaciją, atitinka įtempių analizės poreikius. Modelis apskaičiuotas tik veikiant lenkimo momentui, tik veikiant vidiniam slėgiui ir kartu veikiant lenkimo momentui ir vidiniam slėgiui Von-Miseso įtempių pasiskirstymui. Lenkimo momentas yra 5000 N-m, o vidinis slėgis - 1,6 MPa.

1 pav. Reduktoriaus Von-Miseso įtempių pasiskirstymas esant vidiniam slėgiui/Pa
1 pav. parodytas Von-Miseso įtempių pasiskirstymas tik esant vidiniam slėgiui. Kaip matyti iš paveikslėlio, mažojo imtuvo galo ir reduktoriaus viduryje prie mažojo galo vidinės vamzdžio sienelės įtempių vertė yra didžiausia regione, imtuve nėra įtempių koncentracijos, priešingai, mažajame imtuvo gale dėl vidinio slėgio išstūmimo į išorę vaidmens įtempiai yra mažesni nei tiesios vamzdžio vidinės sienelės. Tiesiame vamzdyje, esant vidiniam slėgiui, vidinės sienelės vidinė įtempio vertė yra didžiausia, o didėjant sienelės storiui, didėjant vamzdžio skersmeniui įtempis vidinėje sienelėje palaipsniui mažėja.
2 paveiksle pavaizduotas Von-Miseso įtempių pasiskirstymas veikiant tik lenkimo momentui. Veikiant lenkimo momentui, įtempių koncentracija mažojo vamzdžio reduktoriaus galo išorėje ties suvirinimo siūle yra akivaizdesnė, o patirti įtempiai yra maždaug 2,0 karto didesni už didžiausius tiesaus vamzdžio mažojo galo įtempius, kaip parodyta 2 paveikslo a punkte. Didžiajame reduktoriaus gale ties vidine sienelės puse įtempiai taip pat šiek tiek padidėja, tačiau yra daug mažesni nei mažajame reduktoriaus gale, kaip parodyta 2 pav. b). Pirmiau minėtoje padėtyje taip pat dažnai įvyksta reduktoriaus gedimas gamybos procese.
3 paveiksle parodytas Von-Miseso įtempių pasiskirstymas veikiant lenkimo momentui ir vidiniam slėgiui. Veikiant lenkimo momentui, mažasis reduktoriaus galas, suvirintas išorėje, yra labiau pastebimas; didžiausias įtempis yra šiek tiek mažesnis nei tik veikiant lenkimo momentui, pavyzdžiui, 3 paveikslo a) dalyje; taip yra dėl to, kad vidinis slėgis kompensuoja lenkimo momentą, kad tiesus vamzdis būtų lenkiamas. Didžiajame imtuvo gale vidinės sienelės pusėje įtempiai taip pat šiek tiek padidėja, tačiau yra daug mažesni nei mažajame imtuvo gale, kaip parodyta 3 paveikslo b punkte.

Palyginus baigtinių elementų analizės rezultatus ir pagal kodą apskaičiuotus rezultatus, kiekvieno standarto mažojo galo sienelių armavimo vertė yra didesnė nei atitinkama didžiojo galo sienelių armavimo vertė, nes įtempių koncentracija mažojo galo imtuve yra akivaizdesnė. Mažo kūgio kampo atveju jungties didžiajame gale, veikiant vidiniam slėgiui ar lenkimo momentui, įtempių koncentracija nėra akivaizdi, todėl daugumoje sąlygų jos stiprinti nereikia. Iš 3 lentelės matyti skaičiavimo rezultatai, ASME BPVC. VIII-2017 apskaičiuotas mažojo galo jungties vamzdžio sienelės storio sustiprinimas mažiausiam imtuvo sienelės storiui 1,5-2 kartus, GB 150-2011 apskaičiuoti rezultatai apie 1,4 karto, o EN 13480-3-2012 apskaičiuotas sienelės storio sustiprinimo storis artimas mažiausiam imtuvo sienelės storiui arba net mažesnis už jį. Priešingai, ASME BPVC. VIII-2017 sienelės storio armatūros skaičiavimo rezultatai yra artimesni baigtinių elementų analizei.

2 pav. Reduktoriaus Von-Miseso įtempių pasiskirstymas esant lenkimo momentui/fPa

4. Išvada

Šiame straipsnyje suvirintam reduktoriui palyginti ir apskaičiuoti buvo naudojami trys skirtingi Kinijos, Jungtinių Amerikos Valstijų ir Europos standartai. Jie suvirino ekscentrinį reduktorių ir analizavo įvairių parametrų įtaką reduktoriaus konstrukcijai. Taikant baigtinių elementų metodą išanalizuota detali reduktoriaus įtempių pasiskirstymo būklė veikiant vidiniam slėgiui ir lenkimo momentui ir gautos šios išvados:

• 1) Mažasis plieninės plokštės suvirinto reduktoriaus galas ir imtuvo jungtis, veikiant lenkimo momentui, sukelia akivaizdžią įtempių koncentraciją. Projektuojant reikia atkreipti dėmesį į sienelės storio stiprinimą.
• 2) Esant vietos sąlygoms, sumažinus reduktoriaus kūgio viršūnės kampą, konstrukcija gali būti saugesnė ir patikimesnė. Kuo mažesnis kūgio kampas, tuo mažesnis sienelių storio padidinimas. Tačiau iš esmės reduktoriaus sienelės storis neturi būti mažesnis už imtuvo sienelės storį.
• 3) Per Kinijos, Amerikos ir Europos tris suvirintų vamzdžių reduktorių skaičiavimo kodus ir baigtinių elementų analizės rezultatų palyginimą, ASME BPVC. VIII-2017 katilams ir slėginiams indams yra palyginti konservatyvūs, o EN 13480-3-2012 skaičiavimo rezultatai akivaizdžiai maži, ASME BPVC. VIII-2017 plieninių vamzdžių suvirintų vamzdžių reduktoriaus sienelių storio skaičiavimo mažojo galo armatūros rezultatai ir baigtinių elementų analizės rezultatai yra artimesni. Baigtinių elementų analizė yra artimesnė.
• 4) Kai tiesaus vamzdžio sienelės storis neatitinka sienelės storio sutvirtinimo reikalavimo, kaip sutvirtinimą būtina suvirinti tiesaus vamzdžio atkarpą, atitinkančią sutvirtinimo storį tarp reduktoriaus ir tiesaus vamzdžio.

3 pav. Reduktoriaus įtempių pasiskirstymas esant lenkimo momentui ir vidiniam slėgiui Von-Mises/Pa

Autorius: Liu Lu