Forskning om beräkningsmetod för hållfasthetskontroll av reducerare

Forskning om beräkningsmetod för hållfasthetskontroll av reducerare

Reduceringen är en viktig ång- och vattendelare rörkomponent i kraftverkspannor. Metoder för konstruktionsberäkning och hållfasthetskontroll av stålplåt svetsade reducerare i tre standarder i Kina, USA och Europa analyseras jämförande, och den lokala spänningsfördelningen av reducerare analyseras med finita elementberäkningar. Resultaten visar att beräkningsmetoderna för olika standarder för beräkning av väggtjockleken på reduceraren är mycket lika. Skillnaden i beräkningsresultaten är mycket liten. För hållfasthetskontrollen av anslutningen mellan reduceraren och det raka röret är skillnaden i beräkningsresultaten för olika standarder fortfarande stor och beräkningsresultaten för ASME BPVC. Ⅷ-2017 Regler för konstruktion av tryckkärl visar att styrkan hos den lilla änden av reduceraren med det raka röret är mycket hög, och styrkan hos den lilla änden av reduceraren med det raka röret är mycket låg. GB 150-2011 "Tryckkärl", beräkningsresultaten för olika standarder skiljer sig mycket åt, ASME BPVC. Ⅷ-2017 "Regler för konstruktion av tryckfartyg" beräknade att förstärkningens tjocklek vid den lilla änden av reduceraren och anslutningen med det raka röret är den största, och beräkningsresultaten för GB 150-2011 "Tryckfartyg" är något mindre än de för ASME BPVC. 2012 "Metalliska industrirör - Del 3: Konstruktion och beräkning" standardens beräkningsresultat är betydligt mindre. Den finita elementanalysen visar en betydande spänningskoncentration vid den lilla änden av mottagaren under antingen böjmoment eller inre tryckförhållanden, med den maximala spänningen som är cirka 2,0 gånger den maximala spänningen vid den lilla änden.

0. Inledning

Reducerare är Rördelar. som förbinder två olika rördiametrar och är viktiga komponenter i industriella rörsystem. Reduceringsrör används i allmänhet för anslutningen mellan import och export av utrustning och rörledning och grenröret i rörledningen för att minska rördiametern, vilket kan ändra vätskeflödeshastigheten, sakta ner vätskans erosion på de inre delarna och minska förbrukningen av material för rörledningar. De reduktionsväxlar som används i ånga rörsystem av värmekraftverk inkluderar stålrör gjutna reduceringsdon, svetsade reduceringsdon i stålplåt och svetsade excentriska reduktionsväxlar. Reduktionsanordning för gjutning av stålrör är användning av sömlösa stålrör genom slipande varmpressande gjutning; själva reduceraren har ingen svets, och med det raka röret svetsat för att lämna en rak sektion, så det har en hög hållfasthet; stålplåt svetsad reducerare är genom stålplattan skärs i en fläktformad, användningen av specifik utrustning rullas in, på grund av själva reduceraren finns det en svets, så styrkan är relativt låg. Reduceringsfelolyckor inträffar ofta i industriell produktion, varav många orsakas av svetsad reduceringskon och mottagarsvetssprickning. Finite element-analys fann också att den svetsade delen av stålplåtens svetsade reducerare och rörledningssvetsning har ett uppenbart spänningskoncentrationsfenomen. Därför måste väggtjockleken vid anslutningen till rörledningen vara strikt kalibrerad i konstruktionsprocessen för den stålplåtsvetsade reduceraren.
Konstruktionsberäkningen av reduceraren kan utföras enligt den matematiska analysmetoden som anges i motsvarande specifikation för rörledningsdesign. Kraftindustrins standard DL/T 5054-2016 "Ånga från värmekraftverk rörkonstruktion specifikation" ger hållfasthetsberäkning och kontrollmetod för stålrörsgjutningsreducerare men inte beräkningsmetoden för stålplåtsvetsad reducerare. Hållfasthetsberäkningen och kontrollmetoden för stålplåtsvetsad reducerare ges i EU-standarden EN 13480-3-2012 "Metalliska industrirör - Del 3: Design och beräkning", kinesisk nationell standard GB 150-2011 "Tryckkärl", amerikansk standard ASME BPVC. ASME BPVC. VIII-2017 "Regler för konstruktion av tryckkärl" ges, men beräkningsmetoderna är olika.
I detta dokument analyseras hur olika parametrar för inre tryck och rördiameter påverkar utformningen av reduceraren genom att jämföra och beräkna svetsad reducerare och svetsad excentrisk reducerare av tre olika standarder i Kina, USA och Europa genom finita elementberäkningar, analyseras det detaljerade spänningsfördelningstillståndet för reduceraren under inverkan av det inre trycket och böjmomentet och den optimala förstärkningskoefficienten erhålls. Beräkningsresultaten ger en referens för val och beräkning av stålplåtsvetsad reducerare.

1. Beräkning och kontrollmetoder för hållfasthet hos svetsade reducerare av stålplåt

Vid hållfasthetsprojektering av rörkomponenter under tryck används hållfasthetsteorin för maximal skjuvspänning. Formeln för väggtjocklek för raka rör under inre tryck är härledd från tunnfilmsmodellen och tar hänsyn till effekten av svetsade fogar och temperatur. Formeln för rör med reducerad diameter baseras på formeln för rak rörväggtjocklek; med hänsyn till konvinkeln för den erhållna koniska sektionen visas den minsta väggtjockleken för den koniska sektionen av formeln i olika standarder i tabell 1.
Tabell.1 Beräkning av väggtjocklek för konisk sektion av reducer

Obs: S är väggtjocklek, mm; p är konstruktionstryck, Pa; D_i är rörets eller reduceringens innerdiameter, mm; D_o är rörets eller reduceringens ytterdiameter, mm; [σ]^t är den tillåtna spänningen vid materialets konstruktionstemperatur, MPa; η är korrigeringskoefficienten för tillåten spänning, dimensionslös; θ är den halva konvinkeln.
Som framgår av tabell 1 är tryckkoefficienten under nämnaren för beräkningsformeln för ASME BPVC. VIII-2017 "Regler för konstruktion av tryckkärl" är 1,2, medan tryckkoefficienten under nämnaren för GB 150-2011 "Tryckkärl" och EN GB 150-2011 "Tryckkärl" och EN 13480-3-2012 "Metalliska industrirör - Del 3: Design och beräkning" har en koefficient på 1. Eftersom det tillåtna trycket för svetsade stålreducerare som anges i rörbestämmelserna är lägre är emellertid effekten av denna avvikelse på beräkningsresultaten inte signifikant.
Anslutningen mellan reduceraren och det raka röret har en uppenbar spänningskoncentration, så alla tre standarderna är kalibrerade för den raka röranslutningen vid de stora respektive små ändarna. I GB 150-2011, den första, enligt konstruktionstrycket, tillåten spänning och svetskoefficient för att bestämma behovet av att stärka anslutningen. När det är nödvändigt att öka tjockleken för att förstärkas, bör den ställas in mellan reduceraren och mottagaren för att förstärka sektionen. Reduktionsförstärkningssektionen och mottagarens förstärkningssektion bör ha samma tjocklek, tjockleken på mottagarens tjocklek i den minsta väggtjockleken på basen multiplicerad med stressvärde-addade koefficienter, vilket visas i ekvation (5):

S=QS₀ (5)

I formeln:

• S₀ är den minsta väggtjockleken för mottagaren, mm;
• Q för den dimensionslösa spänningstilläggsfaktorn, av konstruktionstrycket, tillåten spänning och svetskoefficienten för bestämningsstorleken, i GB 150-2011 i tabellen för att erhålla.

ASME BPVC. VIII-2017 är genom metoden för det trycksatta området som måste uppfyllas; det trycksatta området Ar som den förstärkta sektionen måste uppfylla är

A_r=[kQR/[σ]^tE₁](1-Δ/θ) tanθ (6)

I formeln:

• R är mottagarens radie, mm; k, Q, E och Δ är beräknade korrelationskoefficienter, som återfinns i specifikationen.

Den effektiva ytan A_eL av det stora slutet är:

Den effektiva ytan A_eS vid den lilla änden är:

I EN 13480-3-2012 är det först nödvändigt att avgöra om förstärkning krävs genom ekvation (9):

I formeln:

• β är den koefficient som krävs för beräkningen och som erhålls genom kontroll av tabellen i specifikationen.

2. Resultat av beräkningar

Beräknat rör- och reducermaterial för Q235, nominellt tryck PN16 (1.6MPa), designtemperatur på 200 ℃, reducerhalvkonvinkel på 15 °. Tabell 2 för den stora änden av rörreduceringsmottagaren vid tjockleken på förstärkningen av beräkningsresultaten, GB 150-2011 "Tryckkärl" för den stora änden av rörreduceraren har inga förstärkningskrav, EN 13480-3-2012 "Metalliska industrirör - Del 3: Konstruktion och beräkning". Beräkningsresultatet vid den stora änden är mindre än mottagarens minsta väggtjocklek, och ingen specifik beräkning kan göras i den faktiska konstruktionen. ASME BPVC. VIII-2017 "Rules for Construction of Pressure Vessels" har en armeringstjocklek på ca 1,3-1,4 gånger den minsta väggtjockleken för det raka röret, och beräkningsresultatet är mest konservativt. Detta är den mest konservativa beräkningen.
Tabell.2 Armeringstjocklek vid den stora änden

Gemensam			Förstärkningens tjocklek i den stora änden
Ytterdiameter på anslutningsröret för den stora änden	Minsta väggtjocklek för munstycke med stor ände	Minsta väggtjocklek för konisk sektion	GB 150-2011	EN 13480-3-2012	ASME BPVC.VIII-2017
2438	21	21.6	Inget behov av förstärkning	10.1 (ingen förstärkning krävs)	29
2235	19.2	19.7	Inget behov av förstärkning	9.2 (Ingen förstärkning krävs)	26
2032	17.5	17.9	Inget behov av förstärkning	8.4 (Ingen förstärkning krävs)	24
1829	15.7	16	Inget behov av förstärkning	7.6 (ingen förstärkning krävs)	22
1626	14	14.2	Inget behov av förstärkningement	6.7 (ingen förstärkning krävs)	19
1422	12.2	12.3	Inget behov av förstärkning	5.9 (ingen förstärkning krävs)	17

Tabell 3 visar beräkningsresultaten för tjockleksförstärkningen vid mottagaren vid den lilla änden av reduceraren. EN 13480-3-2012 "Metalliska industrirör - Del 3: Konstruktion och beräkning" beräkningar är de minsta, liknande den minsta väggtjockleken på mottagaren, förutom ytterdiametern på 2235 mm, förstärkningens tjocklek är mindre än den minsta väggtjockleken på mottagaren. GB 150-2011 "Tryckkärl" och ASME BPVC. VIII-2017 "Regler för konstruktion av tryckkärl" väggtjocklek förstärkning är betydligt högre än den minsta väggtjockleken hos mottagaren. VIII-2017 "Regler för konstruktion av tryckkärl" den förstärkta tjockleken är ca 1,5-2,0 gånger den minsta väggtjockleken hos det raka röret. GB 150-2011 "Tryckkärl" den förstärkta tjockleken är cirka 1,4 gånger den minsta väggtjockleken på det raka röret. Väggtjockleksförstärkningen vid den lilla ändmottagaren är större än den vid den stora ändmottagaren, och förstärkningsberäkningen är i ASME BPVC. VIII-2017, Regler för konstruktion av tryckkärl, är fortfarande den mest konservativa.
Tabell 4 ger den stora ändens ytterdiameter på 1626 mm, den lilla ändens ytterdiameter på 1219 mm, material Q235, nominellt tryck PN16 (1.6MPa), designtemperaturen på 200 ℃ reducerare i olika halvkonvinkelförhållanden för den kompletterande tjockleksberäkningen. Från beräkningsresultaten kan man se att för den lilla änden av rörmottagaren ökar de tre standarderna i förstärkningens tjocklek med halvkonvinkeln avsevärt. För den stora änden av mottagaren, ASME BPVC. VIII-2017 förstärkningskrav också ökas med ökningen av konvinkeln, GB 150-2011 och EN 13480-3-2012 på den stora änden av mottagaren är inga förstärkningskrav. Därför bör reduktionsdonets koniska vinkel minimeras så mycket som möjligt i designprocessen när utrymmet tillåter.
Tabell.3 Tjocklek på armeringen i den lilla änden

Anslutningsrör för liten ände		Tjocklek på förstärkning av småändar
Nominell ytterdiameter	Minsta väggtjocklek	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

Tabell.4 Effekt av konvinkel på armeringstjocklek

Vinkel/(°)	Förstärkningstjocklek för små ändar/mm			Tjocklek på förstärkning av stora ändar/mm
	GB 150	EN 13480	ASME VIII	GB 150	EN 13480	ASME VIII
10	13.6	9	16	Inget behov av förstärkning	Inget behov av förstärkning	18
15	14.7	11	18	Inget behov av förstärkning	Inget behov av förstärkning	19
20	16.8	12	20	Inget behov av förstärkning	Inget behov av förstärkning	21
25	18.9	14	22	Inget behov av förstärkningnt	Inget behov av förstärkning	23
30	19.9	16	25	Inget behov av förstärkning	Inget behov av förstärkning	24

3. Finita element-analys

För att få mer information om spänningsfördelningen i reduceraren under den yttre kraften, utfördes beräkningar med finita elementanalys på reduceraren och mottagaren med rakt rör. Diametern på den lilla änden av modellen är 200 mm, diametern på den stora änden av mottagaren är 300 mm, längden på mottagarröret är 800 mm och halvkonvinkeln på reduceraren är 15°. Strukturerade maskor används, med 6 lager maskor i väggtjockleksriktningen, och det totala antalet maskor är 1,15 miljoner, vilket verifieras av maskornas korrelation för att uppfylla behoven av stressanalys. Modellen beräknades endast genom inverkan av böjningsmomentet, endast genom inverkan av det inre trycket och samtidigt genom inverkan av böjningsmomentet och det inre trycket i Von-Mises spänningsfördelning. Böjmomentet är 5000N-m och det inre trycket är 1,6MPa.

Fig.1 Von-Mises spänningsfördelning hos reduceraren under inre tryck/Pa
Fig.1 visar fördelningen av Von-Mises-spänningen endast under inre tryck. Som framgår av figuren är den lilla änden av mottagaren och mitten av reduceraren nära den lilla änden av rörets innervägg för spänningsvärdet i den största regionen, det finns ingen spänningskoncentration i mottagaren, tvärtom, den lilla änden av mottagaren på grund av rollen som det inre trycket utåt, är spänningen mindre än innerväggen i det raka röret. I rakt rör, i fallet med inre tryck, den inre väggen av det maximala värdet av stress, och med ökningen av väggtjockleken, minskar spänningen vid den inre väggen gradvis med ökningen av rördiametern.
Figur 2 visar fördelningen av Von-Mises-spänningar endast under inverkan av böjmoment. Under inverkan av böjmomentet är spänningskoncentrationen på utsidan av den lilla änden av rörreduceraren vid svetsen mer uppenbar, och den spänning som drabbats är ungefär 2,0 gånger den maximala spänningen i den lilla änden av det raka röret, vilket visas i figur 2(a). I den stora änden av mottagaren vid innerväggssidan är spänningen också något ökad, men mycket lägre än i den lilla änden av mottagaren, såsom i figur 2 (b). Ovanstående position är också den position där fel på reduceringsanordningen ofta uppstår i produktionsprocessen.
Figur 3 visar fördelningen av Von-Mises-spänningar under den kombinerade effekten av böjmoment och inre tryck. Under inverkan av böjmomentet är den lilla änden av reduceraren svetsad på utsidan av spänningskoncentrationen mer uppenbar; den maximala spänningen är något mindre än endast genom inverkan av böjmomentet, såsom i figur 3 (a), detta beror på det inre trycket för att kompensera böjmomentet för att göra det raka rörets böjningstendens. I den stora änden av mottagaren vid den inre väggsidan är spänningen också något ökad, men mycket lägre än den lilla änden av mottagaren, vilket visas i figur 3(b).

Från jämförelsen av finita elementanalysresultaten och resultaten beräknade baserat på koden är väggförstärkningsvärdet vid den lilla änden av varje standard större än motsvarande väggförstärkningsvärde för den stora änden eftersom spänningskoncentrationen vid den lilla ändmottagaren är mer uppenbar. I fallet med en liten konvinkel är den stora änden av anslutningen, oavsett om den är under inre tryck eller böjmoment, spänningskoncentration inte uppenbar; därför behöver den under de flesta förhållanden inte förstärkas. Från tabell 3 kan beräkningsresultat ses, ASME BPVC. VIII-2017 beräknad väggtjockleksförstärkning av den lilla ändanslutningsrörets väggtjocklek för mottagarens minsta väggtjocklek på 1,5-2 gånger, GB 150-2011 beräknade resultat för cirka 1,4 gånger, medan EN 13480-3-2012 beräknad väggtjockleksförstärkning tjocklek nära eller till och med mindre än den minsta väggtjockleken hos mottagaren. I motsats till ASME BPVC. VIII-2017 är beräkningsresultaten för förstärkning av väggtjocklek närmare den finita elementanalysen.

Fig.2 Von-Mises spänningsfördelning hos reduceraren vid böjmoment/fPa

4. Slutsats

I detta dokument användes tre olika standarder i Kina, USA och Europa för att jämföra och beräkna den svetsade reduceraren. De svetsade den excentriska reduceraren och analyserade påverkan av olika parametrar på utformningen av reduceraren. Genom den finita elementmetoden analyseras det detaljerade spänningsfördelningstillståndet för reduceraren under inverkan av inre tryck och böjmoment, och följande slutsatser erhålls:

• 1) Den lilla änden av stålplåtens svetsade reducerare och anslutningen av mottagaren kommer att producera uppenbar spänningskoncentration under inverkan av böjmoment. Uppmärksamhet måste ägnas åt att förstärka väggtjockleken i konstruktionen.
• 2) Vid utrymmesförhållanden kan minimering av reducerarens koniska toppvinkel göra konstruktionen säkrare och mer tillförlitlig. Ju mindre konvinkeln är, desto mindre är tjockleken på väggtjockleksförbättringen. Men i princip får reducerarens väggtjocklek inte vara mindre än mottagarens väggtjocklek.
• 3) Genom de kinesiska, amerikanska och europeiska tre koderna för svetsad rörreduceringsberäkning och finita elementanalysresultat i jämförelse, ASME BPVC. VIII-2017 pannor och tryckkärl är relativt konservativa, medan beräkningsresultaten för EN 13480-3-2012 är uppenbarligen små, ASME BPVC. VIII-2017 beräkning av stålrör svetsade rör reducer väggtjocklek vid den lilla änden av förstärkningen av resultaten och den finita elementanalysen är närmare. Finita element-analysen är närmare.
• 4) När väggtjockleken på det raka röret inte uppfyller kravet på förstärkning av väggtjockleken, är det nödvändigt att svetsa en sektion av det raka röret som uppfyller förstärkningstjockleken mellan reduceraren och det raka röret som förstärkning.

Figur.3 Spänningsfördelning hos reduceraren under böjmoment och inre tryck Von-Mises/Pa

Författare: Liu Lu