Диссертация (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 12

3.4.Смещенная сетка конечных элеметов: а) цилиндрическая герметичная муфта,Аб)Б разрезной тройникААРис. 3.5.Распределение максимальных нормальных напряжений по сечению цилиндрической герметичной муфтыПричины концентрации напряжения в угловом кольцевом шве тройникатакие же, как и для гладкой муфты, но при этом распределение напряжений неравномерно по длине шва, максимум приходится на зону напротив ответвления75тройника (зона А на Рис. 3.6). На противоположной стороне кольцевого швауровень напряжений ниже.

Горловина тройника является дополнительным источником концентрации напряжения в кольцевом шве.БАРис. 3.6.Напряженное состояние различных зон сварного разрезного тройникаТаким образом, наиболее сложными ремонтными конструкциями являются разрезные тройники, предназначенные для ремонта повреждений с выступами на поверхности трубы (ликвидации технологических отверстий и несанкционированных врезок). Наличие в них горловины с ответвлением увеличиваетконцентрацию напряжений.Поскольку основной проблемой является поворот стенки трубы на выходеиз-под муфты, для повышения ресурса в первую очередь необходимы меры поуменьшению этого поворота.763.2.2. Численное моделирование способов повышения ресурса муфтСнижение взаимного поворота стенки трубы и муфты добиваются установкой бандажей (разгрузочных колец) поверх муфты, а также на участки трубына выходе из-под муфты. Эффект от применения разгрузочных колец зависит отих ширины и толщины, а также расположения относительно торца муфты.

Этипараметры определяют жесткость сварного соединения. Увеличение расчетногосечения способствует снижению средних напряжений и также приводит к разгрузке корневого слоя углового шва.Из этих соображений, на основе предложенной методики (Глава 2), былразработан план параметрических исследований для определения рациональныхпараметров сварного соединения и разгрузочных колец. План включал следующие варианты: расчеты по базовому варианту, определение пластической деформации вкорне шва; анализ влияния катета углового шва; анализ влияния характера разделки и выпуклости углового шва; анализ влияния размеров разгрузочного кольца: кольцо размещаетсявплотную к торцу муфты, вначале рассматривается влияние толщины привыбранной ширине кольца, затем влияние ширины кольца при постояннойтолщине 23 мм; анализ влияния расположения разгрузочного кольца на трубе, кольцо сподобранными параметрами размещается на различных расстояниях отторца муфты; аналогичный анализ для кольца, устанавливаемого на муфту.Сравнение результатов и выбор варианта усиления проведены в соответствии с методикой из раздела 2.2.3.Изгиб трубы на выходе из-под муфты имеет осесимметричный характер,поэтому расчеты проведены на двумерной осесимметричной модели.

Это позволило упростить расчет и сэкономить вычислительные ресурсы, обеспечив приэтом измельчение сетки конечных элементов, необходимое для получения ко-77личественных результатов при анализе напряженного состояния зоны шва. Вмодели принят постоянным радиус концентратора в корне шва (0,5 мм). Сеткаэлементов в прилежащей к корню шва зоне также была во всех вариантах расчевариант (долговечность15тов одинаковой для облегченияБазовыйих сопоставления(Рис. 3.7).лет)муфтатройник23шовтруба20Рис. 3.7.Сетка конечных элементов осесимметричной модели базового варианта с примыкающим участком муфты (вверху – увеличен участок сетки в шве)В качестве базового варианта для сопоставления была принята гладкаяцилиндрическая муфта без усиливающих бандажей с толщиной стенки 23 мм,установленная с минимальным зазором на трубу диаметром 1069 мм с толщиной стенки 20 мм и приваренная к трубе кольцевыми угловыми швами с катетами, равными толщине стенки муфты (23 мм). Нагрузка – внутреннее давление12,28 МПа.Пластическую деформацию за один цикл нагружения в концентраторерассчитывали методом конечных элементов.

Расчет в ПК «Сварка» на модели смелкой сеткой конечных элементов у концентратора показал весьма высокийуровень концентрации напряжений и деформаций в корне шва (Рис. 3.8 и Рис.3.9).78Рис. 3.8.Распределение пластических деформаций в корне сварного шва приварки сварной муфты к трубеEp(1)0.0100010000.009009000.0080080010.007007000.006006000.005005000.004004000.003003000.00200200100533 пл535Компоненты деформации[%]Компоненты напряжения[МПа]S1(1)11000.00100537539541Горизонтальная координата Х[мм]5435450.0547Радиальная координата [мм]Рис.

3.9.Распределение максимальных растягивающих напряжений  1 и пластическихдеформаций  пл по минимальному сечению углового шва79При внутреннем давлении 12,28 МПа номинальные напряжения на гладком участке трубопровода составляют около 328 МПа, а в концентраторе превышают 1000 МПа. Пластическая деформация в корне шва базового вариантадостигает 0,82%.На Рис.

3.10 представлены результаты параметрических исследованийспособов повышения несущей способности муфты за счет увеличения сеченияшва.Ожидаемая долговечность [лет]25а220151050а10.60.81а)1.21.4 а1 Выпуклость шва  a2 1.6Ожидаемая долговечность [лет]30k22520151050k111.52Соотношение катетов шваб)2.5 k1  k 23Рис. 3.10.Зависимость долговечности от параметров шва: а) от выпуклости, б) от соотношения катетовВ качестве показателя выпуклости шва использовано отношение размераминимального сечения выпуклого шва (a1) к сечению шва с прямой гипотенузой(а2) (Рис.

3.10,а). Увеличение выпуклости шва может быть достигнуто наплавкой дополнительных валиков или «обратной» разделкой кромок со скосом на80внутренней поверхности муфты. При этом циклическая долговечность возрастает за счет увеличения минимального сечения шва. Аналогичное действие оказывает и изменение соотношение катетов шва, также приводящее к увеличениюего минимального сечения (Рис. 3.10,б).

Однако достигаемая расчетная долговечность остается ниже требуемой (30 лет).Моделирование муфт с разгрузочными кольцами проведено для случаяшвов с равными катетами, без выпуклости и с минимальным проплавлением.Рис. 3.11 показывает в виде смещенной сетки конечных элементов изменениеусловий работы сварного шва при установке рядом с ним разгрузочного кольца.Различные условия работы участков трубы под муфтой и за ее пределами вызывают изгиб ее стенки на выходе из-под муфты, в результате шов испытываетдействие момента, создающего растяжение в корне шва (Рис.

3.11,а). Кольцоуменьшает изгиб и снижает растягивающие напряжения в корне шва (Рис.3.11,б).трубашовмуфтаа)трубакольцошовмуфтаб)Рис. 3.11.Влияние разгрузочного кольца на изгиб трубы в зоне шва. Характер деформирования муфты: а) без кольца; б) с кольцомУменьшение толщины кольца до 15 мм не приводит к заметному снижению долговечности (Рис. 3.12,а). В то же время тонкое кольцо гораздо легчесмонтировать с минимальным зазором. Наличие зазора между кольцом и трубой81более 1,0 мм снижает его влияние на долговечность сварного соединения, а зазор свыше 1,0 мм полностью устраняет его контакт с трубой (график 1 на Рис.3.12,б).При плотной посадке увеличение ширины кольца существенно повышаетдолговечность.

Кривая 2 (Рис. 3.12,б) построена по результатам моделированияпри постоянной толщине кольца (t = 15 мм).tа)2B1б)Рис. 3.12.Зависимость долговечности от размеров разгрузочного кольца:а) от толщины кольца t при ширине B = 250 мм, б) от ширины кольца B притолщине t = 15 мм (1 – зазор 1 мм под кольцом; 2 – плотная посадка кольца)Кольцо имеет ограниченную жесткость, и его плотная посадка на трубутехнически осуществима даже при овальности сечения ремонтируемого участкатрубы.

Существенно сложнее обеспечить посадку самой муфты с соблюдением82нормативных требований по величине зазора между муфтой и трубой. При изменении зазора существенно изменяются условия формирования корня углового шва, поэтому чисто расчетные исследования не могут обеспечить необходимой достоверности. При посадке кольца на трубу с зазором кольцо перестаетдействовать.На Рис. 3.13 показана зависимость долговечности от расположения кольцаотносительно торца муфты (от расстояния между швом и разгрузочным кольцом). Наиболее выгодным оказалось расположение кольца вплотную к шву (нарасстоянии 1 мм).

При моделировании муфт с другими размерами разгрузочныхколец все они располагались на расстоянии 1 мм от шва. Из расчетов следует,что разгрузочное кольцо шириной 250 мм и толщиной 15 мм, установленноевплотную к кольцевому шву муфты, позволяет повысить ресурс до требуемогоуровня.LРазгрузочное кольцоРис. 3.13.Зависимость долговечности от расстояния между швом и разгрузочным кольцом шириной 250 мм и толщиной 15 ммНа Рис. 3.14 показана зависимость долговечности от расположения бандажа, установленного на муфту, в виде кольца толщиной 15 мм и шириной 200мм относительно торца муфты.