Badania nad metodą obliczania wytrzymałości reduktora

Badania nad metodą obliczania wytrzymałości reduktora

Reduktor jest ważnym elementem pary i wody element orurowania w kotłach elektrowni. Obliczenia projektowe i metody sprawdzania wytrzymałości blacha stalowa Spawane reduktory w trzech standardach Chin, Stanów Zjednoczonych i Europy są analizowane porównawczo, a lokalny rozkład naprężeń reduktory jest analizowana za pomocą obliczeń metodą elementów skończonych. Wyniki pokazują, że w przypadku obliczania grubości ścianki reduktora metody obliczeniowe różnych norm są bardzo podobne. Różnica w wynikach obliczeń jest bardzo mała. Jednak w przypadku sprawdzania wytrzymałości połączenia między reduktorem a prostą rurą różnica w wynikach obliczeń różnych norm jest duża, a wyniki obliczeń ASME BPVC. Ⅷ-2017 Rules for Construction of Pressure Vessels pokazują, że wytrzymałość małego końca reduktora z prostą rurą jest bardzo wysoka, a wytrzymałość małego końca reduktora z prostą rurą jest bardzo niska. GB 150-2011 "Zbiorniki ciśnieniowe", wyniki obliczeń różnych norm różnią się znacznie, ASME BPVC. Ⅷ-2017 "Zasady budowy zbiorników ciśnieniowych" obliczono, że grubość zbrojenia na małym końcu reduktora i połączenia z prostą rurą jest największa, a wyniki obliczeń GB 150-2011 "Zbiorniki ciśnieniowe" są nieco mniejsze niż wyniki ASME BPVC. Wyniki obliczeń normy 2012 "Metalowe rurociągi przemysłowe - Część 3: Projektowanie i obliczenia" są znacznie mniejsze. Analiza metodą elementów skończonych wykazuje znaczną koncentrację naprężeń na małym końcu zbiornika w warunkach momentu zginającego lub ciśnienia wewnętrznego, przy czym maksymalne naprężenie jest około 2,0 razy większe od maksymalnego naprężenia na małym końcu.

0. Wprowadzenie

Reduktory to kształtki rurowe które łączą dwie różne średnice rur i są ważnymi elementami przemysłowych systemów rurowych. Reduktor jest zwykle używany do połączenia między importem i eksportem sprzętu i rurociągu a rurą odgałęzioną w rurociągu w celu zmniejszenia średnicy rury, co może zmienić natężenie przepływu płynu, spowolnić erozję płynu na częściach wewnętrznych i zmniejszyć zużycie paliwa. materiały rurociągowe. Reduktory stosowane w parze system rurociągów elektrowni cieplnych obejmują rura stalowa reduktory formowane, reduktory spawane z blachy stalowej i reduktory spawane z blachy stalowej reduktory mimośrodowe. Reduktor do formowania rur stalowych to zastosowanie bezszwowa rura stalowa poprzez formowanie ścierne na gorąco; sam reduktor nie ma spoiny, a z prostą rurą spawaną w celu pozostawienia prostego odcinka, dzięki czemu ma wysoką wytrzymałość; reduktor spawany z blachy stalowej jest przez stalową płytę jest cięty w kształcie wachlarza, przy użyciu specjalnego sprzętu zwiniętego w, ze względu na sam reduktor jest spoina, więc wytrzymałość jest stosunkowo niska. Awarie reduktora często zdarzają się w produkcji przemysłowej, z których wiele jest spowodowanych spawanym stożkiem reduktora i pękaniem spoiny odbiornika. Analiza elementów skończonych wykazała również, że spawana część reduktora spawanego z blachy stalowej i spawanie rurociągu ma oczywiste zjawisko koncentracji naprężeń. Dlatego w procesie projektowania reduktora spawanego z blachy stalowej należy ściśle skalibrować grubość ścianki w miejscu połączenia z rurociągiem.
Obliczenia projektowe reduktora można przeprowadzić zgodnie z metodą analizy matematycznej podaną w odpowiedniej specyfikacji projektowej rurociągu. Norma przemysłu energetycznego DL/T 5054-2016 "Para wodna w elektrowniach cieplnych projekt orurowania Specyfikacja" podaje metodę obliczania i sprawdzania wytrzymałości reduktora do formowania rur stalowych, ale nie metodę obliczania reduktora spawanego z blachy stalowej. Metoda obliczania i sprawdzania wytrzymałości reduktora spawanego z blachy stalowej jest podana w normie UE EN 13480-3-2012 "Metalowe rurociągi przemysłowe - Część 3: Projektowanie i obliczanie", chińskiej normie krajowej GB 150-2011 "Zbiorniki ciśnieniowe", amerykańskiej normie ASME BPVC. ASME BPVC. VIII-2017 "Zasady budowy zbiorników ciśnieniowych", ale metody obliczeń są różne.
W niniejszym artykule przeanalizowano wpływ różnych parametrów ciśnienia wewnętrznego i średnicy rury na konstrukcję reduktora poprzez porównanie i obliczenie wartości ciśnienia wewnętrznego i średnicy rury. reduktor spawany oraz spawany reduktor mimośrodowy Na podstawie obliczeń metodą elementów skończonych dla trzech różnych norm w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Europie, przeanalizowano szczegółowy stan rozkładu naprężeń reduktora pod wpływem ciśnienia wewnętrznego i momentu zginającego oraz uzyskano optymalny współczynnik wzmocnienia. Wyniki obliczeń stanowią punkt odniesienia dla wyboru i obliczeń reduktora spawanego z blachy stalowej.

1. Obliczanie i sprawdzanie wytrzymałości reduktora spawanego z blachy stalowej

W projektowaniu wytrzymałości elementów rur pod ciśnieniem stosuje się teorię maksymalnego naprężenia ścinającego. Wzór na grubość ścianki rury prostej pod ciśnieniem wewnętrznym jest wyprowadzany z modelu cienkowarstwowego i uwzględnia wpływ połączeń spawanych i temperatury. Wzór na rurę o zmniejszonej średnicy opiera się na wzorze na grubość ścianki rury prostej; biorąc pod uwagę kąt stożka uzyskanego przekroju stożkowego, minimalna grubość ścianki przekroju stożkowego wzoru w różnych normach jest pokazana w tabeli 1.
Tabela.1 Obliczanie grubości ścianki stożkowej sekcji reduktora

Proszę zauważyć: S to grubość ścianki, mm; p to ciśnienie obliczeniowe, Pa; D_i to wewnętrzna średnica rury lub reduktora, mm; D_o to zewnętrzna średnica rury lub reduktora, mm; [σ]^t to dopuszczalne naprężenie w temperaturze projektowej materiału, MPa; η to dopuszczalny współczynnik korekcji naprężenia, bezwymiarowy; θ to kąt połowy stożka.
Jak wynika z tabeli 1, współczynnik ciśnienia jest poniżej mianownika wzoru obliczeniowego ASME BPVC. VIII-2017 "Zasady budowy zbiorników ciśnieniowych" wynosi 1,2, podczas gdy współczynnik ciśnienia poniżej mianownika GB 150-2011 "Zbiorniki ciśnieniowe" i EN GB 150-2011 "Zbiorniki ciśnieniowe" i EN 13480-3-2012 "Metalowe rurociągi przemysłowe - Część 3: Projektowanie i obliczanie" mają współczynnik 1. Ponieważ jednak dopuszczalne ciśnienie spawanych reduktorów stalowych określone w przepisach dotyczących rur jest niższe, wpływ tego odchylenia na wyniki obliczeń nie jest znaczący.
Połączenie między reduktorem a prostą rurą ma oczywistą koncentrację naprężeń, więc wszystkie trzy normy są skalibrowane odpowiednio dla połączenia prostej rury na dużym i małym końcu. W GB 150-2011, po pierwsze, zgodnie z ciśnieniem projektowym, dopuszczalnym naprężeniem i współczynnikiem spawania w celu określenia potrzeby wzmocnienia połączenia. Gdy konieczne jest zwiększenie grubości, która ma zostać wzmocniona, należy ją ustawić między reduktorem a odbiornikiem, aby wzmocnić sekcję. Sekcja wzmacniająca reduktora i sekcja wzmacniająca odbiornika powinny mieć taką samą grubość, grubość grubości odbiornika w minimalnej grubości ścianki podstawy pomnożonej przez współczynniki wartości dodanej naprężenia, jak pokazano w równaniu (5):

S=QS₀ (5)

W formule:

• S₀ to minimalna grubość ścianki odbiornika, mm;
• Q dla bezwymiarowego współczynnika wartości dodanej naprężenia, według ciśnienia projektowego, dopuszczalnego naprężenia i współczynnika spawania wielkości oznaczenia, w GB 150-2011 w tabeli, aby uzyskać.

ASME BPVC. VIII-2017 jest metodą obszaru ciśnieniowego, który musi być spełniony; obszar ciśnieniowy Ar, który musi spełniać wzmocniona sekcja to

A_r=[kQR/[σ]^tE₁](1-Δ/θ) tanθ (6)

W formule:

• R to promień odbiornika, mm; k, Q, E i Δ to obliczone współczynniki korelacji, które można znaleźć w specyfikacji.

Efektywny obszar A_eL wielkiego końca:

Efektywny obszar A_eS na małym końcu:

W normie EN 13480-3-2012 należy najpierw określić, czy wymagane jest wzmocnienie za pomocą równania (9):

W formule:

• β to współczynnik wymagany do obliczeń, uzyskany poprzez sprawdzenie tabeli w specyfikacji.

2. Wyniki obliczeń

Obliczony materiał rury i reduktora dla Q235, projektowe ciśnienie nominalne PN16 (1,6 MPa), temperatura projektowa 200 ℃, kąt półstożka reduktora 15 °. Tabela 2 dla dużego końca odbiornika reduktora rurowego przy grubości zbrojenia wyników obliczeń, GB 150-2011 "Zbiornik ciśnieniowy" dla dużego końca reduktora rurowego nie ma wymagań dotyczących zbrojenia, EN 13480-3-2012 "Metalowe rurociągi przemysłowe - Część 3: Projektowanie i obliczenia". Wynik obliczeń na dużym końcu jest mniejszy niż minimalna grubość ścianki odbiornika i nie można wykonać żadnych konkretnych obliczeń w rzeczywistym projekcie. ASME BPVC. VIII-2017 "Zasady budowy zbiorników ciśnieniowych" ma grubość zbrojenia około 1,3-1,4 razy większą niż minimalna grubość ścianki prostej rury, a wynik obliczeń jest najbardziej konserwatywny. Jest to najbardziej konserwatywne obliczenie.
Tabela 2 Grubość zbrojenia na dużym końcu

Wspólny			Grubość wzmocnienia na dużym końcu
Średnica zewnętrzna dużego końca rury łączącej	Minimalna grubość ścianki dużej dyszy końcowej	Minimalna grubość ścianki stożka	GB 150-2011	EN 13480-3-2012	ASME BPVC.VIII-2017
2438	21	21.6	Nie ma potrzeby wzmacniania	10.1 (nie jest wymagane wzmocnienie)	29
2235	19.2	19.7	Nie ma potrzeby wzmacniania	9.2 (nie jest wymagane wzmocnienie)	26
2032	17.5	17.9	Nie ma potrzeby wzmacniania	8.4 (nie jest wymagane wzmocnienie)	24
1829	15.7	16	Nie ma potrzeby wzmacniania	7,6 (nie jest wymagane wzmocnienie)	22
1626	14	14.2	Brak potrzeby wzmocnieniaement	6,7 (nie jest wymagane wzmocnienie)	19
1422	12.2	12.3	Nie ma potrzeby wzmacniania	5,9 (nie jest wymagane wzmocnienie)	17

Tabela 3 przedstawia wyniki obliczeń grubości zbrojenia na odbiorniku na małym końcu reduktora. EN 13480-3-2012 "Metalowe rurociągi przemysłowe - Część 3: Projektowanie i obliczanie" obliczenia są najmniejsze, podobne do minimalnej grubości ścianki odbiornika, z wyjątkiem średnicy zewnętrznej 2235 mm, grubość zbrojenia jest mniejsza niż minimalna grubość ścianki odbiornika. GB 150-2011 "Zbiorniki ciśnieniowe" i ASME BPVC. VIII-2017 "Zasady budowy zbiorników ciśnieniowych" grubość zbrojenia jest znacznie większa niż minimalna grubość ścianki zbiornika. VIII-2017 "Zasady budowy zbiorników ciśnieniowych" wzmocniona grubość jest około 1,5-2,0 razy większa niż minimalna grubość ścianki prostej rury. GB 150-2011 "Zbiorniki ciśnieniowe" wzmocniona grubość jest około 1,4 razy większa od minimalnej grubości ścianki prostej rury. Wzmocnienie grubości ścianki na małym końcu odbiornika jest większe niż na dużym końcu odbiornika, a obliczenia wzmocnienia są zgodne z ASME BPVC. VIII-2017, Zasady budowy zbiorników ciśnieniowych, są nadal najbardziej konserwatywne.
Tabela 4 podaje średnicę zewnętrzną dużego końca 1626 mm, średnicę zewnętrzną małego końca 1219 mm, materiał Q235, ciśnienie nominalne PN16 (1,6 MPa), temperaturę projektową 200 ℃ reduktorów w różnych warunkach kąta półstożka uzupełniającego obliczenia grubości. Na podstawie wyników obliczeń można zauważyć, że dla małego końca odbiornika rurowego trzy normy grubości zbrojenia z kątem połowy stożka znacznie się zwiększają. W przypadku dużego końca odbiornika wymagania ASME BPVC. VIII-2017 wymagania dotyczące zbrojenia są również zwiększane wraz ze wzrostem kąta stożka, GB 150-2011 i EN 13480-3-2012 na dużym końcu odbiornika nie ma wymagań dotyczących zbrojenia. Dlatego w procesie projektowania kąt stożka reduktora powinien być zminimalizowany tak bardzo, jak to możliwe, jeśli pozwala na to przestrzeń.
Tabela.3 Grubość małego zbrojenia końcowego

Mały koniec rury łączącej		Mała grubość wzmocnienia końcowego
Nominalna średnica zewnętrzna	Minimalna grubość ścianki	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

Tabela.4 Wpływ kąta stożka na grubość zbrojenia

Kąt/(°)	Grubość wzmocnienia małego końca/mm			Grubość wzmocnienia dużego końca/mm
	GB 150	EN 13480	ASME VIII	GB 150	EN 13480	ASME VIII
10	13.6	9	16	Nie ma potrzeby wzmacniania	Nie ma potrzeby wzmacniania	18
15	14.7	11	18	Nie ma potrzeby wzmacniania	Nie ma potrzeby wzmacniania	19
20	16.8	12	20	Nie ma potrzeby wzmacniania	Nie ma potrzeby wzmacniania	21
25	18.9	14	22	Nie ma potrzeby wzmacnianianie	Nie ma potrzeby wzmacniania	23
30	19.9	16	25	Nie ma potrzeby wzmacniania	Nie ma potrzeby wzmacniania	24

3. Analiza metodą elementów skończonych

Aby uzyskać więcej szczegółów na temat rozkładu naprężeń reduktora pod wpływem siły zewnętrznej, przeprowadzono obliczenia analizy metodą elementów skończonych dla reduktora i prostego odbiornika rurowego. Średnica małego końca modelu wynosi 200 mm, średnica dużego końca odbiornika wynosi 300 mm, długość rury odbiornika wynosi 800 mm, a kąt połowy stożka reduktora wynosi 15°. Zastosowano siatkę strukturalną z 6 warstwami siatki w kierunku grubości ścianki, a całkowita liczba oczek wynosi 1,15 miliona, co jest weryfikowane przez korelację siatki w celu spełnienia potrzeb analizy naprężeń. Model został obliczony tylko przez działanie momentu zginającego, tylko przez działanie ciśnienia wewnętrznego, a jednocześnie przez działanie momentu zginającego i ciśnienia wewnętrznego rozkładu naprężeń Von-Misesa. Moment zginający wynosi 5000 N-m, a ciśnienie wewnętrzne 1,6 MPa.

Rys.1 Rozkład naprężeń Von-Misesa w reduktorze pod ciśnieniem wewnętrznym/Pa
Rys. 1 przedstawia rozkład naprężeń Von-Misesa tylko pod ciśnieniem wewnętrznym. Jak widać na rysunku, mały koniec odbiornika i środek reduktora w pobliżu małego końca wewnętrznej ściany rury dla wartości naprężenia największego regionu, nie ma koncentracji naprężeń w odbiorniku, wręcz przeciwnie, mały koniec odbiornika ze względu na rolę ciśnienia wewnętrznego na zewnątrz, naprężenie jest mniejsze niż wewnętrzna ściana prostej rury. W prostej rurze, w przypadku ciśnienia wewnętrznego, wewnętrzna ścianka ma maksymalną wartość naprężenia, a wraz ze wzrostem grubości ścianki naprężenie na wewnętrznej ściance stopniowo maleje wraz ze wzrostem średnicy rury.
Rysunek 2 przedstawia rozkład naprężeń Von-Misesa tylko pod działaniem momentu zginającego. Pod działaniem momentu zginającego koncentracja naprężeń na zewnątrz małego końca reduktora rury przy spoinie jest bardziej oczywista, a poniesione naprężenie jest około 2,0 razy większe niż maksymalne naprężenie małego końca prostej rury, jak pokazano na rysunku 2 (a). Na dużym końcu odbiornika po wewnętrznej stronie ściany naprężenie jest również nieznacznie zwiększone, ale znacznie niższe niż na małym końcu odbiornika, jak pokazano na rysunku 2 (b). Powyższa pozycja jest również pozycją, w której często dochodzi do awarii reduktora w procesie produkcyjnym.
Rysunek 3 przedstawia rozkład naprężeń Von-Misesa pod połączonym wpływem momentu zginającego i ciśnienia wewnętrznego. Pod działaniem momentu zginającego, mały koniec reduktora przyspawany na zewnątrz koncentracji naprężeń jest bardziej oczywisty; maksymalne naprężenie jest nieco mniejsze niż tylko pod wpływem momentu zginającego, jak na rysunku 3 (a), jest to spowodowane ciśnieniem wewnętrznym, aby zrównoważyć moment zginający, aby tendencja do zginania prostej rury. Na dużym końcu odbiornika po wewnętrznej stronie ściany naprężenie jest również nieznacznie zwiększone, ale znacznie niższe niż na małym końcu odbiornika, jak pokazano na rysunku 3 (b).

Z porównania wyników analizy metodą elementów skończonych i wyników obliczonych na podstawie kodu wynika, że wartość wzmocnienia ściany na małym końcu każdej normy jest większa niż odpowiadająca jej wartość wzmocnienia ściany na dużym końcu, ponieważ koncentracja naprężeń w małym odbiorniku końcowym jest bardziej oczywista. W przypadku małego kąta stożka, duży koniec połączenia, czy to pod ciśnieniem wewnętrznym, czy momentem zginającym, koncentracja naprężeń nie jest oczywista; dlatego w większości warunków nie ma potrzeby wzmacniania. Z tabeli 3 można zobaczyć wyniki obliczeń, ASME BPVC. VIII-2017 obliczono wzmocnienie grubości ścianki rury małego przyłącza końcowego dla minimalnej grubości ścianki odbiornika 1,5-2 razy, GB 150-2011 obliczył wyniki dla około 1,4 razy, podczas gdy EN 13480-3-2012 obliczył grubość wzmocnienia grubości ścianki blisko lub nawet mniej niż minimalna grubość ścianki odbiornika. W przeciwieństwie do ASME BPVC. VIII-2017 wyniki obliczeń grubości wzmocnienia ścianki są bliższe analizie metodą elementów skończonych.

Rys. 2 Rozkład naprężeń Von-Misesa w reduktorze pod wpływem momentu zginającego/fPa

4. Wnioski

W niniejszym artykule do porównania i obliczenia reduktora spawanego wykorzystano trzy różne normy obowiązujące w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Europie. Spawano reduktor mimośrodowy i analizowano wpływ różnych parametrów na konstrukcję reduktora. Za pomocą metody elementów skończonych przeanalizowano szczegółowy stan rozkładu naprężeń reduktora pod działaniem ciśnienia wewnętrznego i momentu zginającego oraz uzyskano następujące wnioski:

• 1) Mały koniec reduktora spawanego z blachy stalowej i połączenie odbiornika spowoduje oczywistą koncentrację naprężeń pod działaniem momentu zginającego. Podczas projektowania należy zwrócić uwagę na wzmocnienie grubości ścianki.
• 2) W przypadku warunków przestrzennych zminimalizowanie kąta wierzchołkowego stożka reduktora może sprawić, że konstrukcja będzie bezpieczniejsza i bardziej niezawodna. Im mniejszy kąt stożka, tym mniejsza grubość wzmocnienia ścianki. Zasadniczo jednak grubość ścianki reduktora nie może być mniejsza niż grubość ścianki odbiornika.
• 3) Porównując chińskie, amerykańskie i europejskie trzy kodeksy dotyczące obliczeń reduktora rur spawanych i wyników analizy elementów skończonych, kotły i zbiorniki ciśnieniowe ASME BPVC. VIII-2017 kotły i zbiorniki ciśnieniowe są stosunkowo konserwatywne, podczas gdy wyniki obliczeń EN 13480-3-2012 są oczywiście niewielkie, ASME BPVC. VIII-2017 obliczenie grubości ścianki reduktora spawanej rury stalowej na małym końcu zbrojenia wyników i analizy elementów skończonych jest bliższe. Analiza elementów skończonych jest bliższa.
• 4) Gdy grubość ścianki rury prostej nie spełnia wymogu wzmocnienia grubości ścianki, konieczne jest przyspawanie odcinka rury prostej, który spełnia grubość wzmocnienia między reduktorem a rurą prostą jako wzmocnienie.

Rysunek 3 Rozkład naprężeń reduktora pod wpływem momentu zginającego i ciśnienia wewnętrznego Von-Mises/Pa

Autor: Liu Lu