Расчет фланцевых соединений (fb2)

- Расчет фланцевых соединений 408 Кб, 7с.  (читать) (читать постранично) (скачать fb2) (скачать исправленную) - Константин Владимирович Ефанов

Настройки текста:



Константин Ефанов Расчет фланцевых соединений

Введение

Монография является одновременно учебной и аналитическим обзором методов расчета фланцев и фланцевых соединений, применяемых на нефтегазовых, химических аппаратах и технологических трубопроводах.

В монографии показаны последние технические достижения по расчету фланцев и фланцевых соединений нефтегазовых и химических аппаратов.

Приведено обоснования нормативного требования о несовпадении осей шпилек с плоскостями симметрии аппаратов и проанализирован частный случай расположения трубопровода под углом к плоскостям симметрии аппарата. Что имеет важно значение для специалистов, занимающихся монтажной компоновкой, трубопроводной обвязкой аппаратов, и проектированием технологических трубопроводов.

Перечислены наиболее распространенные методы расчета фланцевых соединений и приведены на них литературные ссылки, а также на историю разработки отечественных норма на расчет сосудов и аппаратов.

Материал монографии может представлять интерес для главных специалистов-проектировщиков в нефтегазовой промышленности и судостроении, конструкторов сосудов и аппаратов различного назначения, насосов и арматуры, специалистов по прочностным расчетам, инженерам по изготовлению фланцев, а также для подготовки специалистов.

Посвящается Богу Троице Творцу, автору бионического дизайна, самого совершенного способа конструирования.
Благодарность моей маме, работавшей в нефтяном машиностроении.

О несовпадении осей фланцев с осями сосудов

В нормативно-технической документации присутствует требование, согласно которому оси отверстий под шпильки во фланцах не должны находиться на главных осях симметрии аппаратов.

Это требование можно неоднозначно просчитать для шлемового трубопровода, крепящегося к верхнему шаровому днищу колонны под углом 45 градусов. В этом случае возникает вопрос в том, следует ли поворачивать главные оси симметрии колонны до совпадения с осями симметрии трубопровода. Ответ на вопрос будет показан ниже в рамках рассмотрения основной проблемы.

Приведем обоснование данного требования нормативной документации.

В работе Волошина и Григорьева [1] подробно описан изгиб фланцевой пары. При чистом изгибе ось изгиба совпадает с плоскостью симметрии фланца. Плоскость симметрии фланца согласно требованию нормативной документации располагается параллельно осям симметрии аппарата.

В этом случае, смотря на фланец увидим, что плоскости, проведенные через оси фланцевых отверстий и ось втулки фланца (в которых находятся оси отверстий под шпильки) находятся под углом к осям симметрии фланца (параллельным осям аппарата). Например, для фланца с 4 отверстиями, оси отверстий будут расположенными под углом 45 градусов к главным осям фланца, параллельными осям аппарата, тем самым требования стандартов выполняются.

Ось изгиба фланца может смещаться, однако, рассматриваем случай чистого изгиба без смещения оси.

Рассмотрим половину фланца с 4 отверстиями. Имеется два варианта расположения шпилек:

1 вариант – под углом 45 градусов,

2 вариант – с совпадением осей.

По 1 варианту оси 2 шпилек могут воспринимать равные и максимальные для них значения растягивающих усилий.

По второму варианту стержень только верхней одной шпильки воспримет максимальное усилие. Оси двух соседних шпилек будут находиться с линией изгиба в одной плоскости и перпендикулярно ей (то есть практически участвовать в восприятии нагрузок не будут по сравнению с центральной шпилькой).

Рассмотрим расстояние от осей шпилей до оси изгиба фланца. По 2 варианту оно будет равно половине диаметра осей отверстий, то есть R. По 1 варианту получим (из геометрии треугольника) меньшее плечо, равное R·cos45° = 0,7071·R.

При условной единичной растягивающей силе по оси шпильке, во втором случае момент будет равен R, в первом случае момент будет равен 2·0,7071R = 1,4R. При этом для 2 случая вклад двух шпилек, лежащих в плоскости с линией изгиба не учитываем за счет его незначительной величины.

Вывод:
– несовпадение осей шпилек с осями симметрии аппарата позволяет воспринимать моменты с более высокими значениями, чем при совпадении шпилек с осями аппарата,

– при несовпадении шпилек с осями аппарата, большее число шпилек участвует в восприятии нагрузки.

Сделаем вывод относительно шлемового трубопровода, расположенного под углом 45 градусов к осям колонны:

– при несовпадении плоскостей симметрии трубопроводов и аппарата, оси шпилек во фланце не должны совпадать с плоскостями симметрии трубопровода так как изгиб происходит относительно осей трубопровода, а не аппарата.

Итак, получено обоснование требования несовпадения осей шпилек с осями аппарата и введено дополнение относительно случая несовпадения осей трубопровода с осями аппарата.

Расчет фланцевых соединений методом конечных элементов

Для расчета оболочек численным методом конечных элементов (МКЭ) в программных пакетах, таких как ANSYS, могут использоваться конечные элементы (КЭ) плоские или трехмерные. В литературе приводятся сравнение и поиск лучшего решения. Плоские элементы построены на теории оболочек, например, типа Кирхгофа-Лява или Тимошенко. Пространственные элементы построены на решении задачи теории упругости. Теория тонких оболочек получается из теории упругости введение в теорию упругости некоторых упрощений. Более подробно смотрите в работе [2].

Примем утверждение: для расчета тонких оболочек возможно применять плоские КЭ, для оболочек толстых и средней толщины необходимо применять трехмерные конечные элементы.

Сделам вывод: для расчета фланцев МКЭ необходимо применять трехмерные конечные элементы с учетом переходной геометрии поверхности фланца.

По МКЭ фланец рассчитывается как одно твердое тело, тогда как по известным методам Уотреса или Тимошенко фланец разделяется в расчетной модели на части. Метод МКЭ имеет более точную расчетную пространственную модель и в этом одного из его преимуществ в точности перед существующими методами. Теория расчета МКЭ сосудов и аппаратов, например, в работе [3], математическое описание метода рассмотрено в ряде других работ.

Последовательность выполнения расчета в программе МКЭ в целом подробно представлена в работе [4].

Приведем выполнение отдельных этапов расчета МКЭ:

– в расчет экспортируется геометрическая твердотельная модель из программ твердотельного моделирования (или строится средствами ANSYS),

– задаются материала и условия расчета,

– выполняется построение расчетной сетки по твердотельной модели, сетка при необходимости корректируется вручную,

– выполняется решение уравнений теории упругости в узлах сетки (в КЭ),

– результаты решения КЭ суммируются для всей сетки КЭ,

– получают результаты в виде цветных диаграмм с наличием цветовой шкалы сравнения,

– на основании диаграммы делают заключении о работоспособности фланцевого соединения.

Среда Workbench позволяет выполнять междисциплинарные расчеты.

Каждый расчет состоит из последовательно выполняемых модулей, связанных в соответствии с приведенными выше этапами расчета.

При междисциплинарном расчете, например, расчете фланца от механических и тепловых нагрузок, на поле Workbench помещаются две структуры расчета и связываются между собой их соответствующие модули. Один из видов расчета является исходными данными для начала выполнения другого расчета.

Расчет по методу Уотерса

Расчет по методу Уотреса заложен в методике ASME и по-видимому получил самое широкое распространение среди методов расчета фланцев.

Метод Уотреса изложен в работе [5], к которой рекомендуется обратиться для подробного ознакомления.

Расчет по методу Тимошенко.

Расчет по Тимошенко является близким к расчету по методу Уотреса и подробно описан в работе [6].

Расчет по методу Михайловского

Михайловский Е.А. являлся отечественным специалистом по теории оболочек, является автором расчета фланцев байонетного затвора, одним из авторов стандарта на расчет автоклавов.

Метод Михайловского приведен в работе [7].

По Михайловскому фланец рассматривается как патрубок с укрепленным краем. По-видимому такое рассмотрение аналогично рассмотрению в теории ребристых оболочек, применяемой, например, в расчете обечаек сосудов с укрепляющими кольцами.

Модель Михайловского более просто описывает геометрическую модель фланца и является более наглядной, чем по методам Уотреса и Тимошенко. Но, безусловно, уступает твердотельной модели в расчете МКЭ.

Работы по сравнению методов расчета фланцев.

Сравнение методов расчета фланцев проводилось в работах [1], [8], [9], сравнение расчетных моделей в работе [10].

Вопросы расчета байонетных затворов рассмотрены в работе [11].

Расчет фланцев хомутовых затворов для газовой промышленности приведен в работах [12], [13].

Расчет фланцевых соединений по нормативной методике

Вопрос разработки отечественных нормативных документов на расчет сосудов и аппаратов под давлением приведен в работе [3].

Расчеты фланцев и фланцевых соединений по нормативной методике выполняются автоматизированным способом в программе автоматизации расчетов, например, ПАССАТ. В этих программах конструктором вводятся геометрические параметры и материалы, затем программа выдает заключение о выполнении условий прочности, заложенным в стандартах. По результатам расчета программа формирует документ проверочного расчета в формате MS Word. Отдельные узлы врезок штуцеров рассчитываются МКЭ в программах, таких как Штуцер-МКЭ.

Отдельным вопросом является закладывание в расчет допускаемых усилий и изгибающих моментов. Как правило, их величины рассчитаны по формулам и используются в табличной форме.

Заключение

Фланцевые соединения сосудов и аппаратов необходимо рассчитывать в настоящее время по методу МКЭ, так как он является самым точным из всех существующих.

Показано обоснование требования о несовпадении осей отверстий под шпильки с плоскостями симметрии аппаратов. Сделано уточнение относительно частного случая расположения трубопровода под углом к плоскостям симметрии аппарата.

Приведены основные существующие методы расчета фланцев и фланцевых соединений. Для подробного ознакомления с методами даны ссылки на литературу.

Список литературы

1. Волошин А.А., Григорьев Г.Т. Расчет и конструирование фланцевых соединений. Справочник. – 2-е изд., – Л.: Машиностроение, 1979 – 125 с.

2. Новожилов В.В. Основы нелинейной теории упругости. – Л.-М.: ОГИЗ, 1948. – 211 с.

3. Ефанов К.В., Расчет нефтяных аппаратов методом конечных элементов. – М.: Литрес, 2020. – 70 с.

4. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Солдусова Е.А., Глазунова Н.А., Адеянов И.Е. Инженерный анализ в ANSYSWorkbench: Учеб. пособ. – Самара: смр. гос. техн. ун-т, 2010. – 271 с.

5. Brownell L., Young E. Process Equipment Design. – John Wiley & Sons. 1959. 438p.

6. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.2. Более сложные вопросы теории и задачи. – пер. с 3-го американского изд. Федорова В.В., ред. Снитко К.К.. – М.: Наука, 1965, -480 с.

7. Новожилов В.В., Черных К.Ф., Михайловский Е.И. Линейная теория тонких оболочек. Л.: Политехника, 1991. – 656 c.

8. Волошин А.А. Расчет фланцевых соединений трубопроводов и сосудов. – Л.: Судпромгиз, 1959.

9. Рахмилевич Р.З., Зусмановская С.И. Расчет аппаратуры, работающей под давлением. – М.: Изд-во стандартов, 1968. – 180 с.

10. Ефанов К.В. Теория расчета оболочек сосудов и аппаратов. – М.: Наука.Самиздат, 2019. – 49 с.

11. Макаров В.И., Невесенко В.И, Плейкин А.В., Байонетные затворы аппаратов. – М.: Машиностроение, 1980. – 224 с.

12. Мустафин Ф.М., Смаков С.Х., Коноваловв Н.И., Машины и оборудовнаие для газопроводов. Учебное пособие. – Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. – 201 с.

13. Мустафин Ф.М. и др. Очистка полости и испытание трубопроводов: Учеб. пособие для вузов – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. – 255 с.



Оглавление

  • Введение
  • О несовпадении осей фланцев с осями сосудов
  • Расчет фланцевых соединений методом конечных элементов
  • Расчет по методу Уотерса
  • Расчет по методу Тимошенко.
  • Расчет по методу Михайловского
  • Работы по сравнению методов расчета фланцев.
  • Расчет фланцевых соединений по нормативной методике
  • Заключение
  • Список литературы




  • MyBook - читай и слушай по одной подписке