Диссертация (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 13

Наиболее выгодным оказалось расположениебандажа на расстоянии 50 мм. При моделировании муфт с другими размерамибандажей все они располагались на расстоянии 50 мм от шва.83LБандажРис. 3.14.Зависимость долговечности от расстояния между швом и разгрузочнымкольцомtа)Bб)Рис. 3.15.Зависимость долговечности от размеров бандажа: а) – от толщины кольца t приширине B = 200 мм, б) – от ширины кольца B при толщине t = 15 мм84Зависимость долговечности от толщины кольца носит практически линейный характер (Рис. 3.15,а). Кривая построена по результатам моделированияпри постоянной ширине кольца (B = 200 мм).При плотной посадке увеличение ширины кольца до 100 мм существенноповышает долговечность (Рис.

3.15,б). Дальнейшее увеличение ширины свыше200 мм не приводит к столь существенному приросту ресурса. Кривая построена по результатам моделирования при постоянной толщине кольца (t = 15 мм).Расчеты показали, что в отличие от разгрузочного кольца определяющимпараметром бандажа является его толщина. Положения о необходимости установки разгрузочного кольца без зазора справедливы и для бандажа.Итоги численных экспериментов подведены на Рис. 3.16.

Рассмотрено повышение долговечности, по сравнению с базовым вариантом 1, от следующихизменений:2 – от увеличения минимального сечения шва за счёт «обратной» разделкиили наплавки дополнительных валиков с получением выпуклого шва;3 – от установки разгрузочного кольца шириной 250 и толщиной 15 ммвплотную к угловому шву муфты без заварки промежутка между ними;4 – от установки разгрузочного кольца шириной 250 и толщиной 15 ммпри полной заварке зазора между муфтой и кольцом;5 (рекомендуемый вариант) – повторение варианта 4 добавлением обратного скоса кромки 5х450 в корневом слое;6 – от установки бандажа шириной 200 мм и толщиной 15 мм на муфту;7 – установка бандажа шириной 200 мм и толщиной 15 мм на муфту вблизи торца с приваркой бандажа к муфте угловым швом по всему периметру.Из результатов расчетов следует, что наибольшую долговечность обеспечивает сочетание разгрузочного кольца, установленного вплотную к кольцевомушву муфты, с одновременным увеличением сечения шва (вар.

5, Рис. 3.16).Предложенные изменения приводят к существенному уменьшению изгиба шва.Рассчитанные параметры призваны обеспечить ресурс не ниже требуемого.Элементы конструктивного оформления рекомендуемого варианта представлены на Рис. 3.17. Окончательный вариант конструкции муфты имеет разгрузоч-85ные кольца. Также применена обратная разделка кромок. Скос кромки выполнен только на 5 мм, чтобы снизить количество наплавляемого металла. В то жевремя заполнение разделки увеличивает величину расчетного сечения шва и,соответственно, путь роста трещины.350Долговечность, %3002502001501005001234567Варианты ремонтной конструкцииРис.

3.16.Итоги численных экспериментов252502015235х45ºРис. 3.17.Предлагаемая конструкция сварного соединения муфтыРазработанные меры были направлены на повышение долговечностимуфты за счет уменьшения изгибающего момента в шве и усиления шва. Установка вместе с муфтой разгрузочных колец с натягом и их приварка к торцаммуфты должны существенно повышать срок службы ремонтных конструкций(или отремонтированного участка) [103].

Параметрические исследования на86компьютерной модели позволили выбрать конструкцию муфты и сочетание ееразмеров, рассчитанную на циклическую долговечность свыше 10000 циклов.3.3. Анализ способов повышения ресурса разрезных тройников3.3.1. Анализ работы разрезных тройников под давлениемАнализ причин низкого ресурса разрезного тройника проведен на модели,параметры которой приведены в Таблице 3.Согласно [87] наибольшая концентрация кольцевых напряжений в тройнике соответствует соотношению диаметров отвода и трубы d отв D  0,5 при отТРношении диаметра трубы к толщине её стенки DТР s  50 . Таким образом, дляТРтрубы диаметром 1020 мм максимальная концентрация напряжений возникает уразрезного тройника с диаметром ответвления 530 мм.Таблица 3.Параметры исследуемого тройникаТрубаДиаметр, мм1067Ремонтный тройникТолщинаТолщина стенкиДлина маги-Диаметрстенки, мммагистрали, ммстрали, ммотвода, мм2023960530Толщинастенки отвода, мм18Расчет показал, что в целом характер напряженно-деформированного состояния (НДС) разрезных тройников такой же, как у гладкой цилиндрическоймуфты, за исключением особенности вокруг патрубка.

Для изучения изменениянапряжений по периметру кольцевого сварного шва применена объемная модель разрезного тройника, смонтированного на трубе.Анализ НДС модели тройника под действием внутреннего давления позволил установить наличие приблизительно трехкратной концентрации растягивающего напряжения  прод напротив патрубка (Рис. 3.18). Эта компонентанапряжения ложится в качестве поперечной нагрузки на кольцевой шов, соединяющий муфту с трубой [104].

По мере удаления от патрубка продольные87напряжения постепенно снижаются. На расстоянии ¼ периметра тройника (чтосоответствует углу 900) напряжения выравниваются и приближаются к распределению напряжений на стороне, диаметрально противоположной ответвлению(до уровня, характерного для гладкой муфты).Рис. 3.18.Нагрузка на шов в гладкой муфте и разрезном тройникеААРис. 3.19.Сопоставление продольных перемещений муфты и тройника вдоль сеч. А-АИзменение характера напряжений связано с сокращением диаметра патрубка, ориентированного вдоль оси магистрали (Рис. 3.19).

Известно, что при88растяжении пластины происходит её сокращение в направлении, перпендикулярном нагрузке (поперечная утяжка, эффект Пуассона).Участки магистрали тройника рядом с патрубком находятся под действием высоких кольцевых напряжений  кол , в 3 раза превосходящих кольцевыенапряжения в гладкой муфте.

В результате поперечного сокращения этих участков возникает дополнительная нагрузка на кольцевой шов, которая увеличиваетразмах напряжений в цикле и снижает ресурс.Рис. 3.20.Модель нагружения кольцевого шва тройника напротив патрубкаАналогичную картину можно наблюдать при растяжении плоской пластины с отверстием (Рис. 3.20). Если боковые края пластины не закреплены, то поперечная утяжка пластины напротив отверстия существенно больше, чем вдалиот него. При этом поперечные напряжения малы. Если края закреплены швом,то на него действует дополнительная растягивающая нагрузка от продольногорастяжения пластины.Сопоставление результатов моделирования тройника и плоской пластиныс отверстием (Рис.

3.21) подтверждает, что причиной дополнительной нагрузкина шов является поперечная утяжка трубы рядом с отверстием тройника.89Рис. 3.21.Сопоставление продольных напряжений в тройнике и в гладкоймуфте3.3.2. Численное моделирование способов повышения ресурсаразрезных тройниковВыявление причин ограниченного ресурса разрезного тройника позволилоперейти к оценке эффективности существующих приемов усиления разрезныхтройников на основе их численного моделирования. При этом основное внимание уделялось компоненте напряжения, направленной вдоль магистрали тройника, так как именно от нее зависят размах коэффициента интенсивностинапряжений  ΔK  и скорость роста трещины.Рис. 3.22 дает представление о влиянии длины магистрали тройника нараспределение продольных напряжений в ней.Из результатов расчета следует, что для снижения напряжений напротивответвления тройника до уровня напряжений в гладкой муфте необходимо увеличение длины магистрали более чем в 3 раза.

Такое увеличение длины ведет кувеличению массы тройника с диаметром ответвления 530 мм в 2,8 раза (с 700до 1960 кг), а также к увеличению продолжительности и трудоемкости свароч-90ных работ при его монтаже. Увеличение толщины стенки снижает нагрузку нашов, но тоже приводит к резкому росту массы тройника и трудоемкости ремонта.Рис. 3.22.Влияние длины магистрали тройника на работу кольцевого шваУстановка кольцевых бандажей дает меньший прирост массы, но, согласно расчетам, их влияние на работу кольцевого шва незначительное, а в некоторых случаях негативное (Рис. 3.23).

Повышение нагрузки на шов при установкебандажа на патрубок связано с повышением жесткости патрубка. Наибольшуюразгрузку кольцевого шва, приближающую ресурс тройника к ресурсу гладкоймуфты, даёт, согласно расчетам, местное увеличение толщины магистралинапротив патрубка.