Напряженное состояние, прочность и долговечность штуцерных узлов разных конструкций в сосудах давления

Мордина, Галина Михайловна

Напряженное состояние, прочность и долговечность штуцерных узлов разных конструкций в сосудах давления тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Мордина, Галина Михайловна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иркутск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Напряженное состояние, прочность и долговечность штуцерных узлов разных конструкций в сосудах давления»

Автореферат диссертации на тему "Напряженное состояние, прочность и долговечность штуцерных узлов разных конструкций в сосудах давления"

На правах рукописи

МОРДИНА Галина Михайловна

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ШТУЦЕРНЫХ УЗЛОВ РАЗНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СОСУДАХ ДАВЛЕНИЯ

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2005

Работа выполнена в Иркутском государственном университете путей сообщения и Иркутском научно-исследовательском и конструкторском институте химического и нефтяного машиностроения (ОАО "ИркутскНИИхиммаш")

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор П.Г. Пимпггейн

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.Ф. Берман

кандидат технических наук,

доцент A.B. Пыхалов (

Ведущая организация ОАО «НИИхиммаш», г. Москва

Защита диссертации состоится 17 мая 2005 года в 10 часов в зале заседаний ученого совета на заседании диссертационного совета Д 218.004.02 в Иркутском государственном университете путей сообщения по адресу: 664074, г. Иркутск-74, ул. Чернышевского, 15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщения.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах с подписью составителя, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан 15 апреля 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

С.К. Каргапольцев

3 шзму

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время на химических и нефтехимических производствах находится в эксплуатации большое число сосудов давления. По статистическим данным, приведенным в технической литературе, более трети отказов сосудов давления связано с нарушением прочности штуцерных узлов. Условия эксплуатации сосудов включают температурные и силовые нагрузки, параметры рабочей среды, характер и число циклов нагружения. Штуцерные узлы в цилиндрических, сферических и эллипсоидальных оболочках сосудов могут различаться способом соединения патрубка с оболочкой, типом укрепляющего элемента и распределением площади сечения укрепляющего металла между элементами конструкции. По современным нормативным документам для оценки прочности и долговечности сосудов давления при статическом и циклическом нагружениях необходимо знать уровень максимальных напряжений в штуцерных узлах.

Для широкого инженерного применения недостаточно представлены вариантные исследования напряженного состояния (НС) разных конструкций штуцерных узлов и аппроксимация результатов расчетов НС приближенными зависимостями, неизвестны исследования влияния на НС отклонения формы днищ от идеальной, недостаточно изучено влияние температурных полей на НС штуцерных узлов, а также влияние штуцерных узлов на несущую способность сферических днищ. Недостаточно полно разработаны инженерные методики оценки НС в зоне штуцерных узлов в зависимости от их конструктивных параметров, а также закономерности разрушения эллиптических днищ сосудов.

Таким образом, исследование НС и закономерностей деформирования оболочек сосудов с патрубками в процессе их нагружения внутренним давлением до разрушения и разработка рекомендаций, направленных на повышение прочности таких сосудов в наиболее распространенном диапазоне изменения их геометрических размеров, является актуальной задачей.

Цель работы: оценка напряженного состояния штуцерных узлов разных конструкций и разработка рекомендаций для обеспечения прочности и долговечности сосудов давления в условиях статического и циклического режимов эксплуатации с разработкой расчетных моделей, учитывающих отклонение формы оболочки от расчетной и изменение формы в процессе нагружения.

Основная идея работы заключается в выявлении закономерностей изменения напряженного состояния оболочек сосудов давления в зоне штуцерных узлов с использованием конечно-элементных моделей теории тонких оболочек (ТТО) и теории упругости для уточненной оценки прочности на этапе проектирования и изготовления, а также разработка рекомендаций, направленных на обеспечение прочности и долговечности сосудов.

рос. национальная библиотека

С.Псгербур! 200^~РК )

Основные задачи, решаемые для достижения поставленной дели:

- экспериментально исследовать НС и прочность штуцерных узлов в эллиптических днищах с различным конструктивным оформлением и с учетом реальной формы несущих элементов;

- провести вариантные исследования НС и разработать инженерные методики оценки НС штуцерных узлов в цилиндрических и эллиптических оболочках сосудов давления в практически значимом диапазоне соотношений геометрических параметров;

- провести вариантные исследования для выявления границ применимости ТТО при оценке НС и обеспечении прочности в условиях циклического нагру-жения осесимметричных штуцерных узлов с торообразным переходом;

- уточнить закономерности разрушения эллиптического днища;

- разработать инженерную методику оценки несущей способности сферического днища с осесимметричным штуцерным узлом;

- разработать инженерную методику оценки НС оболочки с патрубком с учетом неоднородности температурных полей в указанной зоне.

Методы исследований. Численные исследования основаны на применении метода конечных элементов в постановке теории тонких оболочек и метода конечных элементов (МКЭ) с использованием уравнений теории упругости. При экспериментальных исследованиях напряженного состоянии и прочности моделей использовались методы тензометрии и испытания до разрушения.

Научная новизна работы:

- построены уточненные расчетные модели осесимметричных конструкций штуцерных узлов в выпуклых днищах, в том числе с учетом реальной формы несущих элементов;

- выявлены и графически представлены границы применимости методов теории тонких оболочек для штуцерных узлов с торообразным переходом в сферических днищах;

- предложены аппроксимирующие зависимости НС штуцерных узлов от конструктивных параметров в широком диапазоне их изменения, полученные на базе вариантных исследований НС;

- экспериментально подтверждена предложенная уточненная методика расчета предельного давления для эллиптического днища, учитывающая изменение формы днища в процессе его деформирования, и предложена формула для инженерной оценки величины предельно допустимого давления для толстостенного сферического днища с патрубком;

- выявлены условия распределения укрепляющего металла по принципу компенсации площадей, обеспечивающие выполнение условий статической прочности;

- установлена зависимость перепадов температур между патрубком и корпусом от различных температур сред и коэффициентов теплоотдачи; величина этого перепада не превышает половины разности температур сред патрубка и корпуса.

Практическая значимость результатов исследования:

- выявленные зависимости характеристик НС деформируемых цилиндрических корпусов и эллиптических днищ с патрубками от их геометрических параметров позволили упростить и уточнить расчетное обоснование статической, циклической и хрупкой прочности сосудов давления на этапе их проектирования;

- оценка границ применимости ТТО позволяет обосновать выбор расчетной схемы при определении НС осесимметричного штуцерного узла с горообразным переходом в зависимости от сочетания значений его конструктивных параметров, исключив при этом появление существенных ошибок, связанных с приближённым характером используемой теории;

- выявленная зависимость НС штуцерных узлов от точности изготовления несущих элементов позволяет уточнить оценку прочности сосуда с патрубком с учетом реальной формы днища;

- методика определения давления перехода всей стенки толстостенного сферического днища с патрубком за предел текучести позволяет уточнить расчет величины предельной нагрузки и исключить за счет этого недопустимое формоизменение днища;

- методика определения давления разрушения эллиптического днища позволяет оценить прочность и снизить металлоемкость конструкции на этапе проектирования;

- инженерные оценки перепадов температур при разных температурах сред корпуса и патрубка позволяют более точно оценивать температурные напряжения в штуцерном узле, не решая каждый раз задачу теплопроводности.

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, определяется корректностью использования аппарата ТТО в сопоставлении с методами теории упругости, использованием известных решений для типичных оболочек вращения. Достоверность основных положений диссертации, касающихся оценки напряженного состояния штуцерных узлов с укрепляющими элементами, подтверждена экспериментальными исследованиями.

Внедрение работы. Инженерные методики расчета напряженного состояния конструктивных элементов сосудов с примыкающими патрубками в зависимости от их геометрических характеристик, методика определения давления текучести толстостенного сферического днища с патрубком и методика оценки остаточного ресурса сосудов давления в зависимости от их НС внедрены в ОАО "ИркутскНИИхиммаш", а также использованы при оценке прочности и выдаче заключений экспертизы промышленной безопасности для оборудования, находящегося в эксплуатации в ОАО "Ангарская нефтехимическая компания", ОАО "Иркутскоблгаз", ОАО "Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат", ОАО "Целлюлозно-картонный комбинат" (г. Братск), что подтверждается актами внедрения. Подана заявка на изобретение.

Личный вклад соискателя: - сбор и анализ данных о ранее проведенных исследованиях;

- анализ расчетов НС находящихся в эксплуатации сосудов и аппаратов химической и нефтехимической промышленности, выбор диапазонов изменения геометрических параметров и проведение вариантных исследований;

- численные исследования, включающие расчеты НС с использованием программных комплексов, реализующих метод конечных элементов в постановке ТТО и теории упругости;

- разработка методики экспериментальных исследований, организация эксперимента; измерение деформаций при упругой работе и пластическом деформи-повании и уточнение давления разрушения эллиптических днищ;

- анализ полученных экспериментальных результатов;

- проведение сравнительного анализа напряженного состояния рассмотренных конструкций, формулировка выводов и конструктивных рекомендаций.

Автор выражает глубокую благодарность д. т. н., профессору Л.Б. Цвику за научные консультации при выполнении работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции ИрГУПС «Динамика подвижного состава и тяга поездов» (Иркутск, 1998г.), I и II международных конференциях «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ 2000г., 2003г.), 4-ой Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербург, 2001г.), XXIII Российской школе по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, 2003 г.), научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (Астрахань, 2002г., 2004г.).

Работа прошла апробацию и получила одобрение на расширенном научно-техническом совете ОАО "ИркутскНИИхиммаш", на расширенном семинаре кафедры "Строительная механика" ИрГТУ (Иркутск), на расширенном семинаре кафедры 'Теоретической и прикладной механики" ИрГУПС (Иркутск).

Публикации. Научные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 18 публикациях, в том числе в 4 статьях в центральных журналах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Общий объем работы - 198 страниц, включая 24 таблицы, 82 рисунка и список литературы из 151 наименования. Приложения на 39 страницах содержат результаты экспериментальных и расчетных исследований и акты внедрения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается важность и актуальность проводимых исследований НС и разработки инженерных методов расчета НС для конструкций сосудов давления со штуцерными узлами, необходимых для оценки их прочности и долговечности. Формулируется цель исследования, основные задачи и методы их решения, приводится краткое содержание работы по главам, сведения об апробации результатов работы и их внедрении.

В первом разделе дается литературный обзор исследований, касающихся методов оценки НС оболочек, имеющих штуцерные узлы с различным конструктивным оформлением, в условиях статического и циклического (малоциклового) нагружения. Методы исследования НС тонкостенных штуцерных узлов, в основе которых лежит теория тонких оболочек, использованы в работах A.JI. Гольденвейзера, Б.А Куранова, В.В. Новожилова, Ю.С. Сельского, И.Г. Стрельченко, В.Н. Скопинского, Г.И. Феденко и др.

Исследования НС зон расположения отверстий в корпусах сосудов, работающих под действием внутреннего давления, проводившиеся поляризационно-оптическим методом и методом тензомегрии, приведены в работах M.JI. Дай-чика, В.П. Дорохова, А.И. Дементьева, Л. Куистра и Е. Ланге, Н.И. Пригоровского, И.А Разумовского, К.В. Фролова и НА. Махутова, В.И. Шабуневича и др. Экспериментальные исследования несущей способности штуцерных узлов с различным конструктивным оформлением отражены в работах A.B. Якупа, Л.Б. Цвика с соавторами, А.Е. Скуратова, H.A. Хапонена.

В работах А.Б. Боринцева, Б.Н. Дранченко, М.Ф. Егорова, Б.А. Масленка, H.A. Необердина, Б.Б. Портнова, A.B. Селезнева, В.Н. Скопинского приведены разработанные по результатам экспериментальных и расчетных исследований НС инженерные методики, пригодные для практического применения.

Прикладные аспекты рассматриваемой проблемы применительно к штуцерным узлам сосудов давления с учетом объемного НС исследовались в работах М.Ф. Егорова и А.Б. Боринцева, В.Г. Кривоногова, Ф. Лаурента, В.В. Ларионова, Б.А. Масленка, Н.П. Мельникова, В.Н. Необердина, В.А. Петушкова и B.C. Стре-ляева, A.C. Слюсаренко, Л.Б. Цвика, S.J. Brown и др.

Рассмотренные экспериментальные и теоретические исследования выявили необходимость обозначения границ применимости ТТО; необходимость разработки инженерных методик оценки НС штуцерных узлов с учетом их реальной формы и соотношения геометрических размеров; необходимость исследования НС и прочности осесимметричных выпуклых днищ с патрубками в центре днища, выполненными с разными укрепляющими элементами. В разделе сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе приведены результаты численных исследований НС, определенного с применением метода конечных элементов (МКЭ) в постановке теории упругости, для сферических и эллиптических днищ с примыкающими патрубками и сферических днищ с торообразным переходом между днищем и патрубком.

Используются двумерные уравнения осесимметричной задачи теории упругости относительно вектора перемещений и

¿и = (Л + р) grad div и + ß Д и = 0 , (1)

Е . _ V

где -г; Ь =

2(1 + V) \-2\

В цилиндрических координатах г, ъ рассматривается осесимметричное упругое тело, ограниченное поверхностью 5. Осесимметричная задача теории упругости решалась МКЭ с билинейной функцией формы с использованием программы

МАКРАМЕ, разработанной в Институте машиноведения РАН и ОАО «Иркут-скНИИхиммаш» д.т.н. Б.А. Щегловым, С.И. Федотовой и д.т.н. Л.Б. Цвиком.

Численные исследования проводились для эллиптических днищ, размеры которых соответствуют экспериментальным моделям (рис.1). Для получения необходимой точности и достоверности результатов проведены расчеты МКЭ с разными значениями локального сгущения. Сходимость результатов расчета достигалась при числе конечных элементов 70-100 тысяч.

Расчеты каждой конструкции проведены для двух вариантов галтельного перехода: при 0,33 (минимально допустимому по ОСТ 26-1046-87) и при гн/5,1=1, что соответствует практике изготовления. При увеличении кривизны галтели до гн/5'1=1 максимальные эквивалентные напряжения на внутренней и наружной поверхности совпадают с точностью 5 . 8%. Результаты, полученные по программе МАКРАМЕ, сопоставлялись с результатами, полученными по ТТО с применением программы ТУПРОК, разработанной в НПО «Криоген-маш» под руководством Б А Куранова.

ции эллиптического днища с примыкающим паруб- горообразным переходом в сферическом ком днище (предварительная разбивка)

Для выявления границ применимости ТТО в зависимости от соотношений геометрических размеров штуцерного узла рассматривалась конструкция сферического днища с патрубком, соединенным с днищем торообразным переходом с наружным радиусом гн (рис. 2). Размеры элементов конструкции принимались в зависимости от соотношений геометрических параметров в диапазонах: д-„/5=1...15; г/Л=0,15...0,5; Б!Я = 0,01...0,1, соответствующих практике изготовления сосудов давления.

Для получения необходимой точности и достоверности результатов проведены расчеты МКЭ с разными плотностями дискретизации строк и столбцов зон предварительной разбивки. Расчеты производились для вариантов соотношений геометрических размеров ¿//О =0,3 и аУ£> = 0,5 при 5У(£>/2) = 0,01. ..0,1 и гн!Б = 3... 10. Полученные зависимости представлены на рис. 3.

При опрессовке многослойных сосудов повышенным давлением в сферическом днище с вводом большого диаметра (d > 0,4D) возникают пластические деформации, вызывающие недопустимое изменение формы горловины. Расчеты упругопластического состояния в зоне вводов проведены с помощью программного комплекса «Solid», разработанного на основе МКЭ С.И. Федотовой под руководством Б.А. Щеглова в Институте Машиноведения РАН.

Численное решение позволило определить критическое давление р", при котором пластические зоны, развивающиеся с внутренней, а затем с наружной поверхности ввода смыкаются. Для описания результатов вычислительных экспериментов предложена формула

Р>*Р (2)

где [с] - допускаемое напряжение материала корпуса; сгт - предел текучести материала; рц - расчетное рабочее давление сосуда с вводом, определенное по исполнительным толщинам его несущих элементов; к - поправочный множитель. Предложенная формула дает возможность инженерной оценки величины критического давления для днища.

В третьем разделе приведены исследования по выявлению границ применимости ТТО при расчетах НС сферического днища в зоне штуцерного узла, выполненного с горообразным переходом, сравнительные исследования НС эллиптических днищ в зоне штуцерных узлов, выполненных с накладным кольцом и с монолитной вставкой, а также вариантные исследования НС цилиндрической оболочки с примыкающим патрубком.

Для сферического днища в зоне штуцерного узла, выполненного с торообразным переходом (рис. 2), произведено сопоставление двух решений, одно из которых получено с использованием программного комплекса ТУ-ПРОК, основанного на соотношениях МКЭ в ТТО, а второе - с использованием программного комплекса МАКРАМЕ, основанного на уравнениях теории упругости. Второе решение рассматривалось как эталонное.

В качестве основной модели конечного элемента в программе ТУПРОК используется криволинейный элемент оболочки вращения двух типов - основной высокоточный с вектором обобщенных узловых перемещений

мг=

ди, д2и. диг д2щ ди, 82и

V и| " "2 и w "з

ds ds2 1 ds ds2 3 & ds2

(3)

на каждой из узловых окружностей и комбинированный, в котором на одной из узловых окружностей вектор {[/}' принимается в виде (3), а на другой {1/}г =[м, и2 м3 |9,], где щ, и2, щ - перемещения срединной поверхности элементов в глобальной системе координат г, у, 2\ - поворота нормали вокруг касательной.

Сопоставление полученных численных результатов (рис. 3, 4) показали, что с увеличением толстостенности сосуда и с уменьшением радиуса га погрешность ТТО увеличивается.

При сопоставлении эталонного и приближённого решений для каждого конструктивного варианта с заданным значением r/R и S/R определялось значение г5 радиуса перехода г„ такое, что при гн > г5 относительная ошибка определения максимальных эквивалентных напряжений с помощью ТТО не превосходит 5% (рис. 5). При этом недопустимые значения rJS и r/R, при которых ошибка ТТО превышает 5%, располагаются ниже соответствующей линии r5/S.

К. t

Oil 0.02 0,03 0Д4 0.05 ода 0Д7 0,0« 0,09 од

SIR

Рис. 3. Коэффициенты увеличения максимальных эквивалентных напряжений в штуцерном узле с горообразным переходом при r/R = 0,5, определенные по МАКРАМЕ с плотностью дискретизации 10

а,01 (Ш о.оз о,м 0,05 о.о« о,с? а.оя а.оэ од ®д

Рис. 4. Коэффициенты увеличения максимальных эквивалентных напряжений в штуцерном узле с горообразным переходом при г/к = 0,5, определенные по программе ТУ-ПРОК

Выявленные границы показывают, что величина г5 существенно возрастает с увеличением толстостенности S/R оболочки.

Проведены расчеты и сравнительный анализ максимальных коэффициентов увеличения эквивалентных напряжений, определенных с применением программ МАКРАМЕ и ТУПРОК, для эллиптического днища с примыкающим патрубком. По результатам, полученным МКЭ, целесообразно оценивать циклическую и хрупкую прочность всей конструкции. Такая оценка произво-

0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 r/R Рис 5 Зависимость величины r5 /S от отношения радиусов r/R и толстостенности сосуда S/R

дится с учетом коэффициента концентрации напряжений. По результатам, полученным по ТТО, целесообразно оценивать статическую прочность конструкции по категориям напряжений и хрупкую прочность днища. Оценку циклической прочности по ТТО можно производить только для отношения S/R<0,05, т.е. в том диапазоне, где результаты, полученные МКЭ по ТТО, согласуются с решениями по МКЭ в постановке теории упругости.

По современным нормам производится проверка прочности конструкции по НС ее основных элементов, которое в конструкциях с накладным кольцом и с монолитной вставкой может существенно различаться.

1,2..5 - номера узловых окружностей

номер шпангоута

Рис 6 Расчетная схема штуцерного узла с монолитной вставкой

Рис 7 Расчетная схема штуцерного узла с накладным кольцом

В инженерной практике при расчете НС узла ввода с накладным кольцом зона расположения кольца рассматривается как монолитная деталь. В действительности - это разные конструкции, напряженное состояние которых должно рассчитываться по разным расчетным схемам (рис. 6,

7).

Проведен сравнительный анализ напряженного состояния эллиптических днищ диаметром 450 мм толщиной 6 мм с отношением высоты к диаметру 0,25 с патрубками диаметром 100 мм, 150 мм и 200 мм в центре днища, выполненными с двумя видами укрепления - с монолитной вставкой и с накладным кольцом. Конструктивные размеры штуцерного узла выбраны так, что (в среднем по трем вариантам) расчетная площадь сечения укрепляющего металла представлена на 83% металлом вставки или накладного кольца и на 17% металлом патрубка. Для более точной оценки влияния вида укрепляющего элемента (монолитной вставки или накладного кольца) на напряженное

состояние и прочность конструкции укрепляющий металл размещен только в накладке (вставке) и в патрубке, т.е. стенка днища не имеет избыточного металла, участвующего в укреплении.

При расчете НС конструкции штуцерного узла с накладным кольцом методами ТТО предполагалось, что контактное давление постоянно по длине меридиана накладного кольца или равно нулю.

Для решения поставленной задачи разработаны тестовые модели, представляющие собой соединение однослойной и двухслойной цилиндрических оболочек, и проведены расчеты по программе ТУПРОК. Тестовые расчеты показали, что при расчете НС эллиптического днища с патрубком, усиленного накладным кольцом, нужно задавать разное по величине давление на часть днища, расположенную под накладкой, и на накладное кольцо, а также моделировать сварное соединение оболочек шпангоутом (рис. 6, 7).

Давление, соответствующее идеальному контакту, определялось с учетом толстостенности оболочек по формулам Ламе из условия равенства деформаций наружной и внутренней сферических оболочек на радиусе контакта.

Характер напряженного состояния для разных отношений <ИЮ качественно совпадает, но существенно различается в днищах с монолитной вставкой и в днищах с накладным кольцом. На наружной поверхности патрубка в месте соединения со шпангоутом 1 максимальное значение принимают меридиональные напряжения, при этом напряжения в конструкции со вставкой существенно выше, чем в конструкции с накладным кольцом (рис. 8).

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0

02 0.25 0.3 0,35 0,4 й/О 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Л/О

а) б)

Рис 8. Меридиональные напряжения в патрубке в зависимости от относительного диаметра патрубка (а - суммарные на наружной поверхности; б -изгибная составляющая) 1 - днище с монолитной вставкой; 2 - днище с накладным кольцом

О^/Ы 1

2р

1 ,а 1Л 1,4 1,2 1,0

0,2 0,2$ 0,3 0,35 0,4 0,45 Л/В

Рис. 9. Кольцевые напряжения на наружной поверхности укрепляющего элемента в месте соединения с патрубком в зависимости от относительного диаметра патрубка I - днище с монолитной вставкой; 2 - днище с накладным кольцом

На наружной поверхности вставки или накладного кольца в месте соединения со шпангоутом 1 максимальное значение принимают суммарные (изгиб-ные + мембранные) кольцевые напряжения, при этом напряжения в конструкции со вставкой выше, чем в конструкции с накладным кольцом (рис. 9).

На наружной поверхности днища в месте соединения со вставкой или со шпангоутом 2 (в конструкции с накладным кольцом) максимума достигают суммарные меридиональные напряжения. При этом в конструкции со вставкой основную часть составляют мембранные напряжения, а в конструкции с накладным кольцом к мембранным напряжениям этого же уровня прибавляются высокие изгибные меридиональные напряжения; их сумма для штуцерного узла с d/D = 0,22 достигаем максимума в днище с накладным кольцом (368 МПа).

Исследование и сравнительный анализ НС штуцерных узлов с разными укрепляющими элементами показали преимущество конструкции с накладным кольцом.

С целью исследования влияния геометрических параметров на НС и разработки инженерной методики была проведена серия расчетов в следующем диапазоне соотношений геометрических параметров цилиндрического корпуса и примыкающего патрубка: S/D = 0,005...0,04; d!D = 0,05...0,45; Sx/S = 0,26... 1,0. Здесь D - внутренний диаметр цилиндрического корпуса, d - внутренний диаметр патрубка, S - толщина корпуса, Si - толщина патрубка. Расчеты произведены по ТТО с помощью программы «Baikal», разработанной И.Г. Стрельченко в институте механики АН Украины.

В четвертом разделе представлены методика и результаты экспериментальных исследований НС и прочности эллиптических днищ, имеющих штуцерные узлы с накладным кольцом или с монолитной вставкой, а также исследований влияния точности изготовления деталей на НС конструкции. Целью эксперимента была также проверка предложенной новой формулы для давления разрушения эллиптических днищ.

Изготовлено и испытано 10 экспериментальных моделей. Модели первого типа состояли из двух сваренных между собой эллиптических днищ внутренним диаметром 450 мм с центральными патрубками (рис. 10). Одно из днищ модели первого типа имело штуцерный узел с накладным кольцом, второе днище - аналогичный по размерам штуцерный узел с монолитной вставкой. Поскольку при испытаниях до разрушения модели первого типа разрушалось одно днище, для разрушения второго днища изготавливалась модель второго типа из эллиптических днищ с патрубками, оставшихся не разрушенными при испытаниях моделей первого типа. Модель третьего типа представляла два сваренных между собой эллиптических днища. Одно из днищ - без патрубка, в центр второго днища вварена трубка для подсоединения к системе нагружения.

Соотношения диаметров патрубка и днища равны 0,22; 0,33; 0,44. Длина патрубка принята достаточной для затухания краевого эффекта, возникающего в месте стыка патрубка с днищем. Конструкция штуцерного узла в эллиптическом днище разработана на основе действующего в нормативной документации принципа компенсации площадей. Эллиптические днища, накладные кольца и вставки изготовлены из стали СтЗ, патрубки - из стали 20.

НС определялось методом тензометрии с применением тензорезисторов с решеткой из металлической фольги, наклеенных на наружную поверхность модели. Пластические деформации исследовались с помощью указанных тензорезисторов и методом измерения координатных сеток с базой 50 мм, нанесенных керном с углом конуса 90°.

Замеры координатных сеток производились после нагружения моделей пробным давлением />„р=6,4 МПа, давлением перехода всей стенки за предел текучести Рг=7,67 МПа, давлением 12,8 МПа и после разрушения днищ.

Проведены испытания моделей давлением по ступеням: 0 - 0,25 Р0 - 0,5 Р0 -0,75 Ро-Ро-Р^-0 с тензометрией на каждой ступени, после чего выполнены три упругих цикла 0 - 1,3 МПа - 2,6 МПа - 3,8 МПа -5,1 МПа -0. Величина рабочего давления Ро = 5,1 МПа определялась в зависимости от уточненных значений механических характеристик сталей по результатам механических испытаний образцов.

В процессе экспериментальных исследований выявлено существенное влияние точности изготовления деталей на НС конструкции.

При проектировании и проектных расчетах эллиптических днищ со штуцерными узлами предполагается, что эллиптическое днище имеет форму эллипсоида вращения. Замеры формы целого эллиптического днища, изготовленного методом штамповки, выявили, что его форма не совпадает с идеальным эллипсоидом, особенно в вершине, где наблюдался участок, близкий к круговой пластине. Для исследования влияния формы днища на НС были разработаны ряд расчетных схем реального днища и выполнены расчеты по программе ТУ-ПРОК целого днища реальной и точной эллиптической формы (рис. 11).

Измерения геометрической формы изготовленных днищ, показали, что реальная форма днищ со вставками существенно отличается от идеальной (днище с патрубком й?=150 мм, рис. 12). Проведены исследования влияние реальной формы элементов штуцерного узла на НС и проведен сравнительный анализ НС двух конструкций штуцерных узлов.

Рис. 10. Экспериментальная модель первого типа со штуцерными узлами с разными укрепляющими элементами- 1 - накладное кольцо, 2 - монолитная вставка

Для расчета по программе ТУПРОК НС днищ с учетом реальной формы были разработаны расчетные схемы, индивидуальные для каждого днища. При этом решалась обратная задача: по известному НС подбиралась форма днища, которая ему соответствует. При решении обратной задачи учитывались следующие моменты:

Рис 11. Эпюры напряжений (по программе ТУПРОК), на наружной поверхности эллиптического днища в сопоставлении с результатами экспериментальных исследований X - для днища точной эллиптической формы; 2 - для днища реальной формы

- при замене участка эллиптической оболочки конической оболочкой под действием внутреннего давления возрастает общий уровень напряжений, а также меридиональное напряжение на наружной поверхности конического элемента;

- увеличение радиуса кривизны поверхности элемента торовой оболочки при нагружении внутренним давлением приводит к увеличению общего уровня напряжений;

- при невозможности моделирования реальной формы оболочки одним элементом конструктивный элемент задавался в виде совокупности фрагментов разных оболочек с условием равенства радиусов кривизны оболочек и общей касательной в точках сопряжения. Исследования показали, что в случае невыполнения последнего условия сопряжения непрерывность НС конструктивного элемента вне зон расположения сварных соединений нарушается.

Для днища № 5 проводились расчеты эллиптического днища с монолитной вставкой, заданной в виде конической оболочки с разными углами наклона конуса.

днище реальной формы с« вставкой

Рис. 12. Форма днища с патрубком диаметром d = 150 мм (днище № 5)

с,МП&

400

В итоге расчетная схема днища № 5 включала 7 оболочеч-ных элементов и 2 шпангоута. При анализе видно хорошее качественное и количественное соответствие расчетных значений результатам экспериментальных исследований, что подтверждает правильность выбранной расчетной схемы. Так, в цилиндрическом патрубке разница между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 16%.

экспериментальные

расчетные

* меридиональные напряжения < кольцевые напряжения

Рис. 13. Эпюры напряжений днища с монолитной вставкой реальной формы с патрубком диаметром ¿/=150 мм (днище № 5)

Проведена оценка статической прочности в штуцерной зоне днищ реальной формы с монолитными вставками и днищ с накладными кольцами. Результаты экспериментальных исследований показали, что конструкция штуцерного узла с укрепляющим элементом в виде накладного кольца более предпочтительна по сравнению с конструкцией с монолитной вставкой. По величинам давления разрушения (табл. 1) проведен сравнительный анализ прочности штуцерных узлов с накладными кольцами и с монолитными вставками. Характер разрушения днищ №4, №5 и №6 с монолитными вставками одинаков. Разрушение всех штуцерных узлов произошло в эллиптическом днище в зоне соединения со вставкой (рис. 14).

Разрушение в днищах № 1 и № 2 с патрубками ¿/=100 мм и 150 мм с накладными кольцами наблюдалось в зоне приварки накладного кольца, а в днище № 3 с патрубком d= 200 мм разрушился патрубок (рис. 15).

Таблица 1 - Результаты испытаний до разрушения

Диаметр патрубка, мм Давление разрушения, МПа

штуцерный узел с монолитной вставкой штуцерный узел с накладным кольцом

100 (днища №1 и №4) 19,84 20,48

150 (днища №2 и №5) 19,4 21,5

200 (днища Х«3 и №6) 17.15 18,56

Рис. 14. Днище № 6 после испытаний до разрушения Рис 15 Днище № 3 после испытаний до разрушения

Анализ результатов испытаний до разрушения в сопоставлении с показателем укрепления /У^ по принципу компенсации площадей, показал, что несмотря на переукрепление отверстия на 12-20% предельное давление в днищах с патрубками снижается на 12-16%. Следовательно, кроме компенсации площади сечения вырезанного металла для обеспечения равной прочности с целым днищем необходимо дополнительно укреплять днище и патрубок.

Проведенные экспериментальные исследования выявили преимущество по предельной прочности конструкции штуцерного узла с накладным кольцом.

В процессе деформирования выпуклое эллиптическое днище приобретает форму сферического сегмента, давление разрушения которого определяется по известной формуле

р = 2<т, 1п/7 = 2а, 1п(1 + 57 Л), (4)

где р - отношение наружного радиуса сегмента к внутреннему. При пластическом деформировании днища срединная поверхность по всей длине меридиана получает среднюю меридиональную деформацию растяжения в1р - £го, имеет

в поперечном сечении, проходящем через основание днища, кольцевую деформацию б = е,о и переходит в сферический сегмент с радиусом Я и углом <рк

(рис. 16). Давление разрушения днища определяется по предложенной новой формуле, полученной при известной величине пластических деформаций,

5 ■ вт <рл

Для эллиптического днища экспериментальной модели с диаметром 450 мм толщиной стенки 5,8 мм, изготовленного из стали СтЗ с пределом текучести ит~310,6 МПа и пределом прочности £7Я =456,3 МПа, расчетное давление разрушения по формуле, принятой в ГОСТ 14249-89, равно 11,7 МПа.

Рис 16 Расчетная схема деформирования эллиптиче- Рис 17. Эллиптическое днище после ского днища разрушения

В процессе испытания днище разрушилось при Р„=21,3 МПа (рис. 17) при расчетном давлении разрушения, определенном по формуле (5), составляющем Ре=23 МПа.

Новая формула (5) определения давления разрушения для эллиптического днища позволяет более точно оценить прочность и снизить металлоемкость конструкции на этапе проектирования.

В пятом разделе рассмотрен вопрос рационального проектирования эллиптических днищ с патрубками, приведены разработанные на основе вариантных исследований инженерные методики расчета НС оболочек со штуцерными узлами разной конструкции в зависимости от соотношения геометрических параметров, выполнена оценка прочности по категориям напряжений и по критерию хрупкого разрушения штуцерных узлов с разными укрепляющими элементами, а также оценка долговечности сосудов давления со штуцерными узлами по критерию циклической прочности.

Расчеты НС показали, что принятое в действующей нормативной документации ограничение на соотношение площадей укрепляющего металла патрубка и эллиптического днища = 0,2 не обеспечивает выполнение условий прочности патрубка по размаху напряжений (при толстостенности днища >0=1,026 и /М,1). Выполнение условий прочности достигается при Рт > 0,35 К

Результаты числовых расчетов цилиндрической оболочки с примыкающим патрубком представлены в виде графиков и аппроксимирующей формулы для определения коэффициента увеличения напряжений ап без учета НС патрубка

4 и 0,39 0,35

аа = а- — + Ь, где а = 9,65- —— + —— й дс, хх

при дс, = —:

(6)

Ъ = (-0,527 • л, + 2,685)(1 + 0,0625 зт(* • (2,703 • х, + 0,297))). (7)

Аппроксимирующая зависимость для поправочного коэффициента К„ г 0.287 5

^ = (х3+0,001Г"где *> = в' (8)

Графики и формулы (6)-(8) могут быть использованы для определения коэффициента интенсивности напряжений при расчете на сопротивление хрупкому разрушению цилиндрического корпуса. Также по результатам вариантных исследований построены графики для определения коэффициента концентрации напряжений аа\ в цилиндрической оболочке с учетом НС примыкающего патрубка (рис. 18), которые могут быть использованы при расчете циклической прочности сосудов давления с патрубками.

0,1 0.4 0.2 ЦМ 0,3 0,3! 0,4 0^3 <М>

Рис. 18 Коэффициент концентрации эквивалентных напряжений в цилиндрической оболочке с примыкающим патрубком

Предложена инженерная методика оценки НС в зоне штуцерного узла эллиптического днища с примыкающим патрубком в зависимости от соотношения размеров патрубка и днища. В основу методики положены аппроксимирующие формулы, полученные на базе числовых расчетов, произведенных для большого числа вариантов по программе ТУПРОК. Отличительной особенностью использованной расчетной схемы является замена зоны недостоверности в месте пересечения оболочек шпангоутом. Формула для коэффициента а„ увеличения эквивалентных напряжений (9) может использоваться при расчете эллиптического днища на сопротивление хрупкому разрушению.

аа=^-11,01|- +11,171+ 5,819^^^ (9)

Аппроксимирующая зависимость (10) для коэффициента концентрации максимальных напряжений в штуцерном узле применима при оценке циклической прочности сосудов давления.

г - чз\ гг

оеа 1 =

- 30,89— + 27,047 + 9,637р

(10)

Распространенным типом аппаратов высокого давления являются теплообменники. Обычно рабочая среда, подаваемая в корпус из подводящего трубопровода, имеет значительно более высокую ("горячий" штуцер) или более низкую ("холодный" штуцер) температуру, чем температура внутри аппарата. Поэтому в зоне соединения штуцера и оболочки возникают дополнительные температурные напряжения, которые зависят от разности температур стенок штуцера и корпуса. Настоящее исследование состояло в том, чтобы дать простую инженерную оценку, позволяющую не решая каждый раз задачу теплопроводности более точно оценивать температурные напряжения.

Расчеты температурных полей показали, что при любых коэффициентах теплоотдачи разность средних температур штуцера и корпуса не превышает половины перепада температур между средами. Кроме того, установлено, что напряжения, рассчитанные с учетом непрерывного характера распределения температуры, в «3 раза ниже напряжений, полученных в предположении ступенчатого изменения температуры при переходе от ппуцера к корпусу.

Действующая методика определения ресурса (РД 03-421-01) основана на выделении основных повреждающих факторов и на определении технического состояния сосуда в соответствии с действием этих повреждающих факторов. Прогнозирование ресурса сосудов, имеющих непрерывный режим работы, производится, в частности, по критерию хрупкого разрушения. Основной характеристикой конструкции, используемой в расчете на сопротивление хрупкому разрушению, является коэффициент интенсивности напряжений Ки (/ =1,2). Результаты расчетов показали, что условие сопротивления хрупкому разрушению при рабочей температуре минус 10°С выполняется для всех исследованных вариантов конструкций штуцерных узлов из стали СтЗ, но отношение [КЦ!К{ (запас прочности) в конструкции с накладным кольцом в 1,5-1,8 раза больше, чем в конструкции со вставкой.

При анализе результатов расчетов на циклическую прочность конструкций эллиптических днищ с укрепляющими элементами показано, что рассчитанные амплитуды напряжений значительно меньше допускаемых [ал]ш =612,1 МПа при числе циклов N = 1000 и существенно превышает допускаемую амплитуду [сгА]° =137,4 МПа при числе циклов N - 105. При этом превышение расчетной амплитуды над допускаемой в конструкции со вставкой имеет место не только в патрубке, где напряжения могут быть снижены увеличением толщины стенки патрубка, но и в днище.

Расчеты на сопротивление хрупкому разрушению и на циклическую прочность показали преимущество конструкции штуцерных узлов с накладными кольцами.

Таким образом, оценка НС в зоне штуцерного узла с применением теории тонких оболочек по разработанным расчетным схемам или по предложенной в работе инженерной методике позволяет выдать заключение о безопасности эксплуатации сосуда.

Основные выводы

По результатам проведенных расчетных и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Сравнительными исследованиями напряженного состояния, прочности и долговечности двух конструкций штуцерных узлов установлена предпочтительность конструкций штуцерных узлов, укрепленных накладным кольцом. Их предельная прочность на 10%, долговечность - в 1,5 раза и более, а хрупкая прочность в 1,5-1,8 раза выше, чем конструкций со вставкой.

2. Установлено, что напряженное состояние эллиптических днищ, как со штуцерными узлами, так и без них, зависит от точности изготовления. Небольшие отклонения формы несущих элементов от точной эллиптической увеличивают напряжения в 1,5 раза в целом днище и в 1,5-2 раза - в днищах со штуцерными узлами.

3. Расчеты НС штуцерных узлов с торообразным переходом в сферических днищах показали, что границы применимости ТТО для конструкции с торообразным переходом соответствуют условию S/R <0,05.

4. Предложенная новая формула расчета эллиптических днищ по предельным нагрузкам позволяет более точно оценить прочность днищ и в перспективе снизить в 1,5 раза металлоемкость эллиптических днищ на этапе проектирования.

5. Установлено, что для выполнения совокупности условий прочности предусмотренный действующими нормами принцип компенсации площадей недостаточен. Необходимо не менее 35% площади сечения компенсирующего металла располагать в патрубке.

6. В результате решения задачи с учетом пластического деформирования предложена зависимость для расчета максимальной величины давления опрес-совки толстостенного сферического днища с вводом, исключающая недопустимое формоизменение конструкции.

7. Установлено, что разность средних температур штуцера и корпуса при любых коэффициентах теплоотдачи в два раза меньше разности температур рабочих сред, что позволяет, не решая каждый раз задачу теплопроводности, уточнить оценку напряженного состояния в зоне штуцерного узла с учетом температурных напряжений.

Основные результаты диссертационной работы отражены в публикациях:

1. Цвик Л.Б., Федотова С.И., Щеглов Б.А., Мордина Г.М. Численный анализ упругопластического деформирования днищ с горловиной при опрессовке сосуда давления // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1994. -№1.-С. 37—42.

2. Пимштейн П.Г., Мордина Г.М. Определение остаточного ресурса оборудования/7 Динамика подвижного состава и тяга поездов: Материалы научно-практической конференции ИРИИТ, Иркутск, 1998. - С. 28-29.

3. Пимштейн П.Г., Мордина Г.М., Барабанова Л.П. Принцип равной безопасности при определении допускаемого остаточного ресурса // Научно-

технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения: Труды 4-ой Международной конференции, Санкт-Петербург: Нестор, 2001. - С. 246-250.

4. Мордина Г.М., Юрайдо Б.Ф. Исследование напряженного состояния котлов цистерн//Промышленная безопасность и техническое диагностирование: Сб. научн. тр./ ОАО "ИркутскНИИхиммаш": Под редакцией A.M. Кузнецова, В.И. Лившица. Иркутск: Издание ОГУП "Иркутская обл. типография № 1", 2001.- С. 482-491.

5. Пимштейн П.Г, Жукова В Н., Мордина Г.М. Исследование температурных полей и напряжений в зоне соединения штуцера и оболочки// Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2002. - № 11. - С. 10-12.

6. Зорина Г.Г., Мордина Г.М., Цвик Л.Б.. К расчету напряжений в соединении оболочек // ВУЗы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу: Материалы региональной научно-практической конференции, Новосибирск, 2002. - С. 272273.

7. Пимштейн П.Г., Мордина Г.М., Барабанова Л.П. Напряженное состояние штуцерных узлов в цилиндрической стенке сосудов давления // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. - № 4. - С. 3-5.

8. Мордина Г.М. Напряженное состояние штуцерных узлов с монолитной вставкой и с накладным кольцом // Проблемы механики современных машин: Материалы международной конференции, Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2003. -Т.2 - С. 40 - 44.

9 Мордина Г.М., Кобелевский В.С, Цвик Л.Б. О границах применимости теории тонких оболочек при моделировании напряжённого состояния патруб-ковых зон сосудов // Проблемы механики современных машин: Материалы международной конференции, Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2003. - Т.2 - С. 221-224.

10. Мордина Г.М., Пимштейн П.Г Прочность эллиптического днища при нагружении внутренним давлением И XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий. Краткие сообщения - Екатеринбург, 2003. - С. 123-125.

11. Мордина Г.М. Напряженное состояние и долговечность сосудов давления с патрубками // Наука и технологии. Серия «Итоги диссертационных исследований». Труды ХХШ Российской школы - Москва, 2003 - С. 216-228.

12. Цвик Л.Б., Зорина Г.Г., Мордина Г.М., и др. Деформирование плавных переходов для сосудов высокого давления// Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2004. - № 2 - С. 111-117.

13. Мордина Г.М., Пимштейн П.Г. Расчетно-экспериментальное исследование эллиптических днищ с вводами // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: Тезисы научной конференции. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004 - С. 126-127.

Подписано в печать 07.04.2005. Формат 60x84'/, Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Тшаев. Усл. печ. л. 2,64 Уч.-изд. л. 2,47. Тираж 120 экз. Заказ № 940

Отпечатано в Глазковской типографии. 664039, г.Иркутск, ул. Гоголя, 53.Тел. 38-78-40.

oí. о/-от

РНБ Русский фонд

2005-4 41929

Г ffr.

\ S . ;

2 2 АП- Ш V/J /

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Мордина, Галина Михайловна

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ, НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТИ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ С ПАТРУБКАМИ.

1.1. Условия эксплуатации, особенности конструирования и характеры отказа сосудов давления с патрубками.

1.2. Методы исследования напряженного состояния тонкостенных штуцерных узлов.

1.3. Анализ инженерных методик расчетной оценки напряженного состояния штуцерных узлов.

1.4. Методы исследования несущей способности штуцерных узлов.

1.5. Анализ применимости теории тонких оболочек при численном исследовании напряженного состояния штуцерных узлов.

1.6. Исследование рациональных форм и конструктивного оформления штуцерных узлов сосудов давления.

Введение диссертация по механике, на тему "Напряженное состояние, прочность и долговечность штуцерных узлов разных конструкций в сосудах давления"

Актуальность темы. В настоящее время на химических и нефтехимических производствах находятся в эксплуатации большое число сосудов давления. Условия эксплуатации сосудов включают температурные нагрузки, параметры рабочей среды, характер и число циклов нагружения. Распространенным элементом конструкции сосудов давления являются штуцерные узлы, предназначенные для ввода и вывода рабочей среды, которые различаются по размерам и конструктивному оформлению.

Конструктивное оформление штуцерных узлов в цилиндрических, сферических и эллипсоидальных оболочках может различаться способом соединения патрубка с корпусом, типом укрепляющего элемента и распределением площади сечения укрепляющего металла между элементами конструкции (рис. 0.1). Патрубок присоединяется к эллиптическому днищу (а) или цилиндрическому корпусу (б) сварным швом или выполняется с торообразным гладким переходом от патрубка к корпусу (<)). Штуцерный узел может иметь укрепляющие элементы в виде монолитной вставки (в) или накладного кольца (г) (рис. 0.1).

Как правило, самые высокие напряжения в конструкции возникают в зонах штуцерных узлов, поэтому для оценки прочности и долговечности сосудов давления при статическом и циклическом (малоцикловом) нагружен ии по современным нормативным документам необходимо знание уровня максимальных напряжений.

Вопросам исследования напряженного состояния (НС) и прочности зон штуцерных узлов посвящено значительное число публикаций. В работах Г.И. Феденко, Ю.С. Сельского, И.Г. Стрельченко, Б.А. Куранова, В.Н. Скопинского НС определяется с применением теории тонких оболочек. Объёмное НС соединений толстостенных и тонкостенных пластин и оболочек рассмотрено О.С. Зенкевичем, Ю.Д. Копейкиным и др. Прикладные аспекты рассматриваемой проблемы применительно к штуцерным узлам сосудов давления исследовались в работах М.Ф. Егорова и А.Б. Боринцева, В.Г. Кривоногова, Ф. Лаурента, В.В. Ларионова, Б.А. Масленка, Н.П. Мельникова, В.Н. Необердина, В.А. Петушкова и B.C. Стре-ляева, А.С. Слюсаренко, S.J. Brown и др. а б

1 - днище, 2 - патрубок, 3 - сварной шов 1 - корпус, 2 - патрубок, 3 - сварной шов

1 - днище, 2 - патрубок, 3 - монолитная вставка, 4 - сварные швы

1 - днище, 2 - патрубок, 3 - накладное кольцо, 4 - сварные швы

1 - днище, 2 - патрубок, 3 -торообразный переход от патрубка к корпусу, 4 - сварные швы

Рис. 0.1. Оболочки сосудов давления со штуцерными узлами: а) эллиптическое днище с примыкающим патрубком, б) цилиндрическая оболочка с примыкающим патрубком, в) штуцерный узел с монолитной вставкой в эллиптическом днище, г) штуцерный узел с накладным кольцом в эллиптическом днище, д) штуцерный узел с торообразным переходом в сферическом днище

Часть публикаций касается экспериментальных методов исследования НС и прочности сосудов давления с патрубками. Исследование и оценка НС оболочек с подкрепляющими элементами в зоне отверстия отражены в работах В.Н. Ско-пинского, И.Г. Стрельченко и др.

В то же время для широкого инженерного приложения недостаточно представлены вариантные исследования НС разных конструкций штуцерных узлов и аппроксимация результатов расчетов НС приближенными зависимостями, неизвестны исследования влияния на НС отклонения формы днищ от идеальной, не учитывается влияние изменения формы днищ на прочность конструкции.

Таким образом, исследование НС и закономерностей деформирования цилиндрических и эллиптических оболочек с патрубками в процессе их нагру-жения внутренним давлением до разрушения и разработка рекомендаций, направленных на повышение прочности штуцерных узлов в наиболее распространенном диапазоне изменения соотношений геометрических размеров, является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является оценка напряженного состояния штуцерных узлов разных конструкций и разработка рекомендаций для обеспечения прочности и долговечности сосудов давления в условиях статического и циклического режимов эксплуатации с разработкой расчетных моделей, учитывающих отклонение формы оболочки от расчетной и изменение формы в процессе нагружения.

Основные задачи, решаемые для достижения поставленной цели:

- экспериментальное исследование НС и прочности штуцерных узлов в эллиптических днищах с различным конструктивным оформлением и с учетом реальной формы несущих элементов; проведение вариантных исследований штуцерных узлов в эллиптических днищах и цилиндрических оболочках при различных соотношениях геометрических параметров; разработка инженерных методик оценки напряженного состояния штуцерных узлов в цилиндрических и эллиптических оболочках сосудов давления на базе вариантных исследований;

- проведение вариантных, исследований для выявления границ применимости теории тонких оболочек при оценке напряженного состояния и прочности в условиях циклического нагружения осесимметричных патрубковых зон с торообразным переходом;

- уточнение закономерности разрушения эллиптического днища с учетом изменения формы при нагружении;

- разработка инженерной методики оценки несущей способноети сферических днищ с осесимметричными патрубковыми зонами;

- разработка инженерной методики оценки НС цилиндрической оболочки с патрубком с учетом неоднородности температурных полей в указанной зоне.

Методы исследований. Численные исследования основаны на применении метода конечных элементов (МКЭ), основанного на теории тонких оболочек и МКЭ с использованием уравнений теории упругости. При экспериментальных исследованиях напряженного состоянии использовались методы тензометрии. Прочность различных конструкций определялась испытаниями до разрушения.

Научная новизна работы:

- построены уточненные расчетные модели осесимметричных конструкций штуцерных узлов в выпуклых днищах, в том числе с учетом реал ьной формы несущих элементов;

- предложены аппроксимирующие зависимости НС штуцерных узлов от конструктивных параметров в широком диапазоне их изменения, пс «лученные на базе вариантных исследований НС;

Практическая значимость результатов исследования:

1. Выявленные зависимости характеристик напряженного состояния упруго деформируемых цилиндрических корпусов и эллиптических днищ с примыкающими патрубками от их геометрических характеристик позволили упростить расчетное обоснование статической, циклической и хрупкой прочности сосудов давления на этапе проектирования.

2. Предложены дополнительные конструктивные требования, обеспечивающие выполнение условий прочности штуцер того узла.

3. Оценка границ применимости теории оболочек обосновывает возможность расчета напряженного состояния осесимметричных конструкций по методикам, основанным на теории тонких оболочек.

4. Выявлены зависимости напряженного состояния штуцерных узлов от точности изготовления несущих элементов.

5. Методика определения давления текучести сферического сосуда с патрубком позволяет упрощенно рассчитать величину предельной нагрузки днища при опрессовке сосуда.

6. Методика определения давления разрушения эллиптического днища позволяет оценить прочность и снизить металлоемкость конструкции на этапе проектирования.

7. Инженерные оценки перепадов температур при разных температурах сред корпуса и патрубка позволяют, не решая каждый раз задачу теплопроводности, более точно оценивать температурные напряжения в штуцерном узле.

В диссертационной работе автор защищает:

- расчетные модели различных конструкций штуцерных узлов в эллиптических днищах, в том числе с учетом реальной формы несущих элементов;

- границы применимости методов теории тонких оболочек на примере штуцерных узлов с торообразным переходом в сферических днищах;

- аппроксимирующие зависимости НС штуцерных узлов от конструктивных параметров, полученные на базе вариантных исследований НС;

- конструктивные требования, обеспечивающие выполнение условий прочности штуцерных узлов;

- новую формулу предельного давления для эллиптического днища;

- формулу для инженерной оценки величины критического давления для сферического днища с патрубком;

- зависимость перепадов температур между патрубком и корпусом при различных температурах сред и коэффициентах теплоотдачи.

Внедрение работы. Инженерные методики расчета НС конструктивных элементов сосудов с примыкающими патрубками от их геометрических характеристик, методика определения давления текучести сферического сосуда с патрубком и методика оценки остаточного ресурса сосудов давления в зависимости от их НС внедрены в ОАО "ИркутскНИИхиммаш", а также использованы при оценке прочности и выдаче заключений экспертизы промышленной безопасности для оборудования, находящегося в эксплуатации в ОАО "Ангарская нефтехимическая компания", ОАО "Иркутскоблгаз", ОАО "Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат", ОАО "Целлюлозно-картонный комбинат" (г. Братск), что подтверждается актами внедрения.

Публикации. По материалам диссертации имеется 18 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из нведе-ния, пяти разделов, заключения и приложений. Общий объем работы — 198 страниц, включая 24 таблицы, 82 рисунка и список литературы из 151 наименования. Приложения на 39 страницах содержат результаты экспериментальных и расчетных исследований и акты внедрения.

В первом разделе дается литературный обзор исследований, касающихся разработки методов оценки напряженного состояния и прочности оболочек с патрубками с различным конструктивным оформлением штуцерных узлов в условиях статического и циклического нагружения. На основании обзора сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассмотрены методические основы МКЭ в теории упругости при исследовании осесимметричного НС штуцерных узлов в вып /клых днищах, приведены результаты численных исследований НС эллиптических днищ с примыкающими патрубками и сферических днищ с торообразным переходом между днищем и патрубком, определенного с применением МКЭ.

В третьем разделе изложены методические основы МКЭ в теории тонких оболочек, реализованного в программном комплексе ТУПРОК, приведены исследования по выявлению границ применимости теории тонких оболочек при расчетах НС сферического днища в зоне штуцерного узла, выполненного с то-• рообразным переходом, сравнительные исследования НС эллиптических днищ в зоне штуцерных узлов, выполненных с накладным кольцом и с монолитной вставкой, а также вариантные исследования НС цилиндрической оболочки с примыкающим патрубком.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных на моделях в целях проверки правильности расчетных схем и допущений, принятых при создании расчетных моделей конструкций штуцерных узлов с разными укрепляющими элементами, а также для определения влияния конструктивных факторов на величину и характер распределения деформаций и напряжений в штуцерном узле. Исследования проводились автором в отделе изготовления емкостного и экспериментального оборудования ОАО «ИркутскНИИхиммаш».

В пятом разделе приведены разработанные на основе вариантных исследований инженерные методики расчета напряженного состояния оболочек со штуцерными узлами разной конструкции при различных соотношениях геометрических параметров. Разработанные методики применены для оценки прочности сосудов давления в условиях статического и циклического нагружения, для оценки хрупкой прочности, а также при наличии неоднородности температурных полей в зонах соединения патрубка и оболочки.

На основе проведенных исследований автором предложены конструктивные рекомендации, направленные на обеспечение прочности и долговечности сосудов со штуцерными узлами.

Работа выполнена в Иркутском государственном университете путей сообщения и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Автор выражает благодарность Генеральному директору ОАО "ИркутскНИИхиммаш", действительному члену РИА, профессору, д.т.н. A.M. Кузнецову и сотрудникам ОАО "ИркутскНИИхиммаш" за поддержку и помощь в работе. и

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

2. Установлено, что напряженное состояние эллиптических днищ как со штуцерными узлами, так и без них зависит от точности изготовления. Небольшие отклонения формы несущих элементов от идеальной эллиптической увеличивают напряжения в 1,5 раза в целом днище и в 1,5-2 раза - в днищах со штуцерными узлами.

5. Установлено, что для выполнения условий прочности предусмотренный действующими нормативными документами принцип компенсации площадей недостаточен. Дополнительно необходимо не менее 35% площади сечения компенсирующего металла располагать в патрубке.

6. В результате решения задачи с учетом пластического деформирования предложена зависимость для расчета максимальной величины давления опрессовки сферического днища с вводом, исключающая недопустимое формоизменение конструкции.

186

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования выявили:

- необходимость учета реальной формы элементов конструкции при выполнении уточненного расчета напряженного состояния,

- необходимость рационального проектирования штуцерных узлов для снижения общего уровня напряженного состояния и выполнения условий прочности.

Установлено, что выполнение условия укрепления отверстия по принципу компенсации площадей не всегда обеспечивает выполнение условий статической прочности. Расчеты напряженного состояния показали, чго принятое в действующей нормативной документации ограничение на соотношение площадей укрепляющего металла патрубка и корпуса = 0,2 F не обеспечивает выполнение условий прочности патрубка по размаху напряжений (при толстостенности днища в месте цилиндрической отбортовки /2=1,026 и /?=1,1). Выполнение условий прочности достигается при 0,35.

- прочность эллиптических днищ при пластическом деформировании значительно выше, чем рассчитанная по действующей нормативной документации,

Полученные результаты позволяют обосновать выбор расчётной схемы при определении напряжённого состояния патрубковой зоны в зависимости от сочетания значений её конструктивных параметров, исключив при этом появление существенных ошибок, связанных с приближённым характером теории тонких оболочек

Напряжения, рассчитанные с учетом непрерывного характера распределения температуры, в несколько раз ниже напряжений, полученных в предположении ступенчатого изменения температуры при переходе от штуцера к корпусу.

Решение задач, рассмотренных в диссертации, не исчерпывает проблемы совершенствования расчетного обеспечения прочности оболочек с патрубками. За рамками работы остались следующие проблемы:

- решение контактной задачи для конструкции с накладным кольцом,

- оценка прочности и долговечности конструкций с учетом тепловых напряжений от перепада температуры по толщине стенки,

- оценка прочности и долговечности конструкций при высоких температурах с учетом ползучести.

- особенности НС конструкций штуцерных узлов при большой толсто-стенности корпуса и патрубка (/>1,2).

Перечисленные нерешенные задачи указывают на сложность и важность проблемы, частично решенной в диссертации.

По результатам, полученным в диссертации, можно сделать следующие

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Мордина, Галина Михайловна, Иркутск

1. Агеев ВЛ., Дранченко Б.Н., Портнов Б.Б., Селезнев А.В. Исследование концентрации напряжений в тройниковых соединениях для оптимального проектирования // Машиноведение, 1987. - № 3 - С. 56-62.

2. Антонов И.Н., Самсонов Ю.А. Прочность корпусов судовых ядерных реакторов.// Судостроение за рубежом. -1968 -№ 4 С. 51-61.

3. Бажанов В.Л., Гольденблат И.И., Николаенко Н.А., Синюков A.M. Расчет конструкций на тепловые воздействия. М.: Машиностроение, 1969.- 600 с.

4. Берман А.Ф. Деградация механических систем. Новосибирск: Наука, 1998. -320 с.

5. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов: Учебное пособие. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 560.

6. Богомольный В.М., Ехлаков С.В., Карчаполов И.В. Использование метода конечных элементов для выбора оптимальной геометрической формы «тройниковых» соединений. Проблемы прочности. - 1982 - № 6, С. 15-20.

7. Боли Б., Уэйнер Д. Теория температурных напряжений. М: Мир, 1964.

8. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М: Машиностроение, 1989. - 368 с.

9. Ю.Бормот Ю.Л., Павлова М.О. Численный анализ методом потенциала напряженного состояния при изгибе тел вращения. Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1991 - № 6 - С. 94 - 98.

10. Н.Бронов В.Н., Дверес М.Н., Пригоровский Н.И. Исследование напряжений в патрубках корпусов и сосудов. Сборник статей: Экспериментальные исследования и расчет напряжений в конструкциях. - М.: Наука, 1975. - 274 с.

11. Власов В.З. Общая теория оболочек. М.: Гостехиздат, 1949. - 586 с.

12. З.Волошин Л.А., Самсонов Ю.А. Расчет и конструирование пересекающихся оболочек сосудов. М.-Л.: Машиностроение, 1968. - 128 с.

13. М.Галишин А.З., Мерзляков В.А., Стрельченко А.С., Стрельченко И.Г., Шептун Л.А. Определение стационарных температурю ix полей в Пересекающихся цилиндрических оболочках.// Проблемы прочности. 1990 -№ 12-С. 65-67.

14. Галлагер Р. Метод конечных элементов: Основы. //Пер. с англ. М.: Мир, 1984. -430с.

15. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. -Введ. 01.01.90. -78 с.

16. ГОСТ 24755-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий. Введ. 01.01.90 - 31 с.

17. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках. Введ. 01.07.84.- 30 с.

18. Головешкин Ю.В. Теоретические основы определения концентрации напряжений около отверстия в тонких оболочках. Проблемы прочности - 1990 -№ 1 - С. 42-46.

19. Гольденвейзер A.JI. Теория упругих тонких оболочек. М.: Наука, 1976. -512 с.

20. Горячев А.П., Пахомов В.А. Решение трехмерных физически нелинейных задач МКЭ. Всесоюзный межвузовский сборник: "Прикладные проблемы прочности и пластичности", 1980, с. 69-76.

21. Гузь А.Н., Чернышенко И.С., Чехов Вал. Н., Чехов Виктор Н., Шнеренко К.И. Теория тонких оболочек, ослабленных отверстиями. — Киев: Наукова думка, 1980. 636 с. (Методы расчета оболочек, в 5-ти т., т. 1).

22. Дайчик М.Л., Михалев Ю.К., Пригоровский Н.И. Тензометрические исследования натурной конструкции корпуса реактора. Сборник: Исследования и расчет напряжений в деталях машин и конструкций. - М.: Наука, 1966 — С. 57-66.

23. Дранченко Б.Н., Портнов Б.Б., Селезнев А.В., Комаров С.Н. Разработка инженерного метода по автоматизированному расчету напряженного состояния тройниковых соединений трубопроводов АЭС// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1990. - № 3 - С. 64-69.

24. Дранченко Б.Н., Портнов Б.Б., Селезнев А.В., Комаров С.Н. Систематизация экспериментальных данных по концентрации напряжений в тройниковых соединениях с внутренним давлением // Теплоэнергетика. 1988. -№ 7 - С. 27-29.

25. Дэвис Р., Кейт X. Анализ сосудов высокого давления методом конечных элементов. Труды ASME. Теоретические основы инженерных расчетов. Серия Д - 1972 - №2 - С. 158-164.

26. Ельцов А.И., Мазур К.И., Молдавский Э.А. и др. Напряжения в элементах тройников и трубопроводов.// Проблемы прочности. — 1982 — № 8 — С.52—57.

27. Ермаковская И.Г., Стрельченко А.С., Стрельченко И., Шептун JI.A. Численное решение задачи о концентрации напряжений в тройниковом оболочеч-ном соединении// Прикладная механика. 1986, т. XXII - № 12 - С. 72-81.

28. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике.-М.: Мир, 1975. 542 с.

29. Зорина Г.Г., Мордина Г.М., Цвик Л.Б. К расчету напряжений в соединении оболочек.// ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу: Тезисы докладов региональной научно-практической конференции, Новосибирск, 2002. - С. 272-273.

30. Каневский М.В. Рациональное изготовление наклонных колец для укрепления отверстий// Химическое и нефтяное машиностроение. — 1982 — № 11 — С.13-18.

31. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. М.: Машгиз, 1960.-744 с.

32. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1973.-752 с.

33. Копейкин Ю.Д. Прямое решение двух и трехмерных задач теории упругости и пластичности методом потенциала. Численные методы механики сплошной среды. 1974, т.5.-№2-С. 12-17.

34. Краковский Д.Х., Слюсаренко А.С., Тихомиров С.А. Определение концентрации напряжений в придисковой галтели цельнокованого ротора.// Энергомашиностроение. 1982 — № 12 - С. 23,27.

35. Кривоногов В.Г., Петушков В.А., Стреляев B.C. Особенности примене-ния двумерных конечных элементов при расчете тонкостенных оболочечных конструкций.// Проблемы прочности. 1984 -№ 4 - С. 101-105.

36. Крищук Н.Г. Анализ напряженного состояния толстостенных сосудов высокого давления методом конечных элементов.// Проблемы прочности. 1984 - № 1 - С.62-65.

37. Кузнецов В.В., Левяков С.В. Концентрация напряжений в тройниковом обо-лочечном соединении.// Проблемы прочности. — 1992 № 8 - С. 56—61.

38. Кузнецов В.В., Сойников Ю.В. Анализ деформаций оболочек при произвольных перемещениях МКЭ.// Известия АН СССР, МТТ. 1987 - № 1 -С. 131-138.

39. Куистра Л., Ланге Е., Пиккет А. Натурные испытания сосудов давления и их приложения к проектированию. Труды Американского общества инженеров механиков. Энергетические машины и установки, т. 86, серия А, №4, 1969-С. 40-52.

40. Куранов Б.А., Кончаков Н.И., Игнатьева И.В. Расчет составных конструктивно-анизотропных оболочек. Расчеты на прочность: Сб. статей; вып.22.// Под общей ред. Н.Д. Тарабасова. - М.: Машиностроение - 1981 - С. 247255.

41. Куранов Б.А., Бобель Н.Т., Игнатьева Э.В. Численный алгоритм расчета конструкций из многослойных и многосвязных оболочек. — Расчеты на прочность: Сб. статей; вып.23. //Под общей ред. Н.Д. Тарабасова. М.: Машиностроение - 1983 - С. 280-290.

42. Куранов Б.А., Турбаивский А.Т., Арсентьев А.В. Расчет упругопластических конструкций МКЭ. Расчеты на прочность. Сб. статей; вып.27. //Под общей ред. Н.Д. Тарабасова. - М.: Машиностроение, 1986, с. 245-249.

43. Куранов Б.А., Турбаивский А.Г, Бобель А.Т. и др. Вычислительный комплекс "ТУПРОК" для расчета оболочечных конструкций. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1988 - № 1 - С. 7-9.

44. Кузнецов В.В., Сойников Ю.В. Анализ деформаций оболочек при произвольных перемещениях МКЭ. Известия АН СССР, МТТ, 1987, № 1, с. 131-138.

45. Ларионов В.В., Тарасов В.М. Сопротивление малоцикловому разрушению сварных патрубков при изгибе// Проблемы прочности-1974 — №3 С.80-82.

46. Левитас В.И., Идесман А.В. Решение термоупругопластических задач при контактном взаимодействии методом конечных элементов. Проблемы прочности, 1986, №11, с. 77-83.

47. Ленджер Б.Ф. Расчет сосудов давления на малоцикловую долговечность.// Техническая механика, Серия "Д". 1962, т.84, №3. - С. 74-82.

48. Лукьяненко П.П., Макаренков А.Г. О распределении напряжений и деформаций возле подкрепленных отверстий в днищах.// Прикладная механика -1980, т. XVI №6 - С. 98 - 107.

49. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. - 940 с.

50. Лыков А.В. Теории теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

51. Марчук Г.И., Агошков В.И. Введение в проекционно-сеточные методы. -М.: Наука, 1981.-416 с.

52. Машель Н.Г. Расчет на прочность эллиптических переходов в сосудах и аппаратах//Химическое и нефтяное машиностроение.- 1977-№ 6 —С. 19-21.

53. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение. 1975. - 398 с.

54. Махутов Н.А., Казанцев А., Лашинцев К.В. и др. Интерполяционный метод оценки напряжений и деформаций в зонах концентрации напряжений, учитывающий историю нагружения.// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1993- №1 - С. 24-31.

55. Машины и аппараты химических производств/ И.И. Поникаров, О.А. Пер-лыгин и др. М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.

56. Модельные исследования и натурная тензометрия энергетических реакторов / Н.А. Махутов, К.В. Фролов, Ю.Г. Драгунов и др. М.: Наука, 2001 293 с.

57. Мордина Г.М. Напряженное состояние штуцерных узлов с монолитной вставкой и с накладным кольцом.// Проблемы механики современных машин: Материалы международной конференции, Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2003.-С. 40-44.

58. Мордина Г.М., Пимштейн П.Г. Прочность эллиптического днища при на-гружении внутренним давлением // XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий. Краткие сообщения Екатеринбург, 2003. - С. 123-125.

59. Мордина Г.М., Пимштейн П.Г. Расчетно-экспериментальное исследование эллиптических днищ с вводами // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин. Тезисы научной конференции. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004 С. 126-127.

60. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980.-254 с.

61. Мошнин Е.К., Ромашко Н.И., Однодушный В.А. и др. Изготовление цель-ноштампованных патрубков на обечайках и днищах.// Энергомашиностроение. 1986 - № 10 - С. 22-25.

62. Немиш Ю.Н., Вологжанинов Ю.И., Зирка А.И. и др. Теоретико-экспериментальные исследования напряженного состояния упругих цилиндров с выточками.// Прикладная механика 1983, t.XIX. - № 10 - С.36-45.

63. Необердин Н.А., Масленок Б.А., Егоров М.Ф., Боринцев А.Б. Численное исследование влияния геометрии патрубка на его напряженное состояние.// Энергомашиностроение 1982 -№1 - С.9-11.

64. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. JI.: Судпромгиз, 1962.— 282с.

65. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86.-М.: Энергоатомиздат, 1989-525 с.

66. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. РД 10-249-98 М., 1999 - 226 с.

67. Нормы Американского общества инженеров-механиков (ASME) на котлы и сосуды высокого давления. Американский национальный стандарт. Секция VIII. Правила конструирования сосудов давления. Раздел 1. Расчет прочности сосудов давления. 1986.

68. ОСТ 26-1046-87. Сосуды и аппараты высокого давления. Нормы и методы расчета на прочность. Группа Г02. М.: Минхимнефтемаш, 1987. - 51 с.

69. ОСТ 26-291-87. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические требования. М.: Миннефтемаш, 1987. - 204 с. Группа 04 СССР.

70. OCT 26-771-73. Сосуды и аппараты. Методы расчета укрепления отверстий в обечайках, переходах и днищах.77.0СТ-26-01-221-86. Сосуды многослойные стальные высокого давления. Общие технические условия. Группа Г47. М.: Минхимнефтемаш, 1986. -255 с.

71. ПБ 03-584-03. Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных. Утверждены постановлением Госготехнадзора России отЮ.06.03 № 81 М.: ПИО ОБТ, 2003.

72. Партон В.З., Перлин П.И. Итегральные уравнения теории упругости. М.: Наука, 1977.-312 с.

73. Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости. М.: Наука, 1981.-686 с.

74. Папусами, Линд. Влияние внешних нагрузок на несущую способность патрубков сферических сосудов давления.// Труды Американского общества инженеров-механиков. Конструирование и технология машиностроения. -1973 -№ 1-С. 8-17.

75. Пахомов В.А. Расчет сосудов высокого давления методом конечных элементов. Материалы V научной конференции молодых ученых ГГУ им. Н.И. Лобачевского. - Горький: Изд-во ГГУ, 1980 - С. 83-93.

76. Пимштейн П.Г., Мордина Г.М. Исследование напряженного состояния штуцерных узлов котлов энергетических установок // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: Материалы научной конференции, Астрахань, 2003. С. 269 - 272.

77. Пригоровский Н.И., Бугаенко С.Е. Метод исследования концентрации напряжений в патрубках сосудов, находящихся под внутренним давлением. Сборник: Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. — М.: Наука, 1965, с.73-81.

78. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник в 3-х т. М.: Машиностроение, 1968, том 1.-614с.

79. Самсонов Ю.А. Прочность судовых ядерных реакторов Л.: Судостроение, 1970.-262 с.

80. Селезнев А.В. Экспериментальное исследование напряженного состояния и разработка инженерного метода расчета тройниковых соединений в связи с проектированием и эксплуатацией ВВЭР: Дис. . канд. техн. наук. Подольск, 1992.

81. Сельский Ю.С. Напряжения в области сопряжения оболочек вращения при действии равномерного давления. Республиканский межведомственный научно-технический сборник: Динамика и прочность машин. - Киев, 1978, вып.28, с. 39-43

82. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. М.: Мир, 1986. - 336 с.

83. Скопинский В.Н. Расчетное исследование подкрепленных пресекающихся цилиндрических оболочек.// Проблемы прочности. 1989 - № 10 - С. 59-62.

84. Скопинский В.Н., Казачкин А.В. Расчетный и экспериментальный анализ тройниковых соединений с отбортовкой.// Проблемы прочности. 1994 -№11 - С. 69-74.

85. Скопинский В.Н. Концентрация напряжений в эллипсоидальных днищах с патрубком. // Химическое и нефтяное машиностроение 1981 - № 12, С. 11-14.

86. Скопинский В.Н., Берков Н.А. Расчетный анализ конструктивных способов укрепления узлов соединения емкости с патрубками. // Химическое и нефтяное машиностроение.- 1994 -№ 8, С. 5 -7.

87. Скопинский В.Н. Вопросы моделирования в прочностном анализе машиностроительных конструкций. // Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 1997-№6, С. 13-15.

88. Скопинский В.Н. Напряженное состояние в эллиптических днищах с патрубками при термосиловом нагружении. // Химическое и нефтегазовое машиностроение-2001 -№ 5, С. 3-6.

89. Скопинский В.Н., Сметанкин А.Б. Выбор рациональных параметров укрепленных штуцерных узлов на эллиптических днищах сосудов давления. // Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 2003 — № 3, С. 3-6.

90. Скуратов А.Е., Хапонен Н.А. Влияние конструктивного зазора в сварном шве горловины люка на прочность сосудов вагонов-цистерн для перевозки сжиженных углеводородных газов.// Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 2003 № 8, С. 45-46.

91. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник. /Кузнецов A.M., Лившиц В.И., Хисматулин Е.Р., Королев Е.М. и др. Изд. 2-е, дополненное. Иркутск: Издание ГП "Иркутская областная типография №1", 1999. 600 с.

92. Стрельченко А.С., Стрельченко И.Г. Напряженное состояние пересекающихся цилиндрических оболочек с учетом поперечного сдвига и обжатия.// Проблемы прочности. 1992 - № 2 - С. 55 - 60.

93. Стрельченко И.Г. Напряженное состояние в окрестности пересечения цилиндрических оболочек.// Прикладная механика. 1981, т. XVII - № 4 -С.122-31.

94. Стрельченко И.Г. Напряженное состояние тройникового соединения при внутреннем давлении.// Прикладная механика. 1982, т. XVIII - № 2 — С.127-136.

95. Стрельченко А.С., Стрельченко И., Шептун Л.А. Напряженное состояние цилиндрической оболочки с отверстием, подкрепленным патрубком переменной толщины.// Прикладная механика. 1988, т. 24 - № 5 - С.88-97.

96. Стрельченко А.С., Стрельченко И., Шептун Л.А. Напряженное состояние цилиндрической оболочки переменной толщины с патрубком постоянной толщины.// Прикладная механика. 1988, т. 24 - № 9 - С. 57-66.

97. Стрельченко А.С., Стрельченко И., Шептун Л.А. Температурные напряжения в Т-образно пересекающихся цилиндрических оболочках постоянной и переменной толщины.// Прикладная механика 1990, т.26 -№ 12 - С. 45-54.

98. Стрельченко А.С., Стрельченко И.Т., Шептун JI.A. Напряженное состояние и прочность Т-образного трубчатого соединения.// Проблемы прочности. -1989-№ 1-С. 18-21.

99. Стрельченко А.С., Стрельченко И., Шептун JI.A. Влияние геометрических параметров на напряженное состояние Т-образно пересекающихся цилиндрических оболочек переменной толщины.// Прикладная механика 1988 - т. 24, №11-С. 29-33.

100. Татаринов В. Г. Определение стационарного температурного поля в осе-симметричных деталях методом конечных элементов// Сборник научн. тр. ИЛИ. Исследования по механике деформируемых сред. Иркутск: 1982, С. 121-126.

101. Татаринов В.Г., Романова P.M., Дорохов В.П. Исследование напряженного состояния деталей сосудов высокого давления.// Машиноведение. — 1975 -№ 3 С. 57-60.

102. Татаринов В.Г. Напряженное состояние, прочность и ресурс сосудов и теплообменников высокого давления / Под редакцией A.M. Кузнецова.- Иркутск: Изд-во: Иркут. Гос. ун-та. 2004. - 584 с.

103. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. — М.: Наука, 1979 582 с.

104. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966.-636 с.

105. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Том 1. М.: Наука, 1965. -363 с.

106. Феденко Г.И. Концентрация напряжений и расчет элементов подкрепления отверстий в обечайках и днищах, работающих под внутренним давлением// Проблемы прочности. 1973 - № 5 - С. 24-31.

107. Фролов О.А. Концентрация напряжений в цилиндрической оболочке, ослабленной вырезом.// Труды конференции по теории пластин и оболочек. -Казань: КГУ, 1961 С. 217-222.

108. Фролов К.В., Махутов Н.А., Стекольников В.В. и др. Экспериментальные исследования деформаций и напряжений в водо-водяных энергетических реакторах. М.: Наука, 1990. - 295 с.

109. Федотова С. И. Щеглов Б. А., Цвик JL Б. Напряженное состояние сферических днищ с патрубками и их рациональное проектирование.// Проблемы прочности. 1989 - № 2 - С. 78-82.

110. Федотова С.И., Мурашев Б.Г., Цвик Л.Б., Борсук Е.Г. Прочность сферических днищ с патрубками, имеющих различную степень укрепления// Химическое машиностроение. Исследования в области прочности химического оборудования.-М.: НИИхиммаш, 1990, С. 16-22.

111. Цвик Л.Б., Щеглов Б.А., Федотова С.И., Борсук Е.Г. Укрепление отверстий и статическая прочность осесимметричных штуцерных узлов.// Проблемы машиностроения и надежности машин. -№ 1 1993.

112. Цвик Л.Б., Федотова С.И., Борсук Е.Г., Мурашев Б.Г. Прочность сферических днищ с патрубками, имеющими различную степень укрепления.// Исследования в области прочности химического оборудования: Сб. научн. трудов. М.: НИИхиммаш, 1990, с. 71—76.

113. Цвик Л.Б., Федотова С.И., Щеглов Б.А., Мордина Г.М. Численный анализ упругопластического деформирования днищ с горловиной при опрессовке сосуда давления.// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1994 -№ 1 -С.37-42.

114. Цвик Л.Б., Зорина Г.Г., Мордина Г.М. и др. Деформирование плавных переходов для сосудов высокого давления// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004, № 2, С. 111-117.

115. ИО.Цыбенко А.С., Куранов Б. А., Чепурной А.Д. и др. Напряженно-деформированное состояние сосуда высокого давления при наддуве.// Проблемы прочности. 1988 - №6 - С. 69-74.

116. Чуквуекву С.Е., Руис С. Экспериментальное исследование предельных давлений для цилиндрических оболочек с подкрепленными отверстиями. -Труды ASME. Серия "Конструирование и технология машиностроения", 1969 № 3 - С.70-74.

117. Шабров Н.Н., Заболоцкая И.Н. Трехмерный суперэлементный анализ напряженного состояния в патрубковой зоне сосуда высокого давления. //Труды ЦКТИ, 1989, вып.254, с. 53 59.

118. Шабров Н.Н., Заболоцкая И.Н. Усовершенствованные программные системы конечно-элементного анализа двух и трехмерного напряженного состояния элементов турбомашин. - Труды ЦКТИ, 1987, вып.237, с. 58 - 63.

119. Шабуневич В.И. Экспериментально-теоретическая методика определения напряженно-деформированного состояния у отверстий.// Проблемы прочности. 1992 - № 2 - С. 46-50.

120. Шаталов А.А., Хапонен Н.А., Миркин А.З., Краснокутский А.Н., Кабо Л.Р. Расчет жесткости и прочности узлов врезки штуцеров сосудов и аппаратов.// Химическое и нефтегазовое машиностроение 2003 - № 2, С. 11-14.

121. Шнеренко К.И, Чемоданов Ю.М. К вопросу подкрепления круговых отверстий в оболочках. Прикладная механика, 1981, T.XVII, № 5, с. 123-131.

122. Штернис А.З. Концентрация напряжений в соединении толстостенных труб// Машиноведение. 1984 - № 5 - С. 107-110.

123. Шрон Р.З., Гецфрид Э.И., Гооге С.Ю., Небесова И.Ф., Воронкова Л.В. Длительная прочность тройниковых соединений трубопроводов.// Проблемыпрочности. 1992-№ 2-С. 40-45.

124. Штепанек С. Конструкция и напряжения обечайки главных патрубков корпуса реактора.// Исследование напряжений и прочности корпуса реактора. -М.: Атомиздат. 1968 - С. 57-70.

125. Якуп А.В., Леонтьев Ю.А., Силинская Е.Г. О концентрации напряжений в тройниковых соединениях труб, работающих в области упругости// Проблемы прочности. 1978. -№ 5 - С. 87-90.

126. Якуп А.В. Прочность тройникового соединения.// Вестник машиностроения. 1974 - № 11 - С. 23-25.

127. Bijlard P.P. Stress in spherical vessels from local loads. Transferred by a Pipe Weld Research Council Bulletin Series, 1959, No.3, pp. 21-30.

128. Brown S.T. On the precanical and thermal transient analysis of the cylinder to cylinder vessels by a finite plate method. Int. Pres. Ves. And Piping, 1979, No. 7, pp. 31-64.

129. Gibstrain M.B. Parametrical stress analysis ofT-joint. Evr. Offshore Steels Res. Seminar. Cambridge, 1978.

130. Hong Gi-Chao, Feng Ding-Jhong. Investigation on fatigue growth behavior of external nozzle corner cracks in a spherical vessel. Pressure Vessel Technology: Proc. 6-th Int. Conf., Beijing, 11-15 sept., 1988, vol.2. Oxford etc., 1989, pp. 857-864.

131. Laurent Ph. et all. Advanced accuracy evaluation of the finite element stress analysis performed on the integral vessel. Proc. of the IV International conference on technology high pressure vessels (19-23 may), 1980,London, pp.309-317.

132. Suto K., Hada Т., Kawano H. Study on elevated-temperature strength of cailayer vessel with nozzles. Technical Review, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd, 1972, June.

133. Yamada Y., Yoshimura N., Sacurai T. Plastic stress-strain matrics and its application for the solution of elastic-plastic problems by the FEM// Int. J/ Mech/ Sci. 1968. V. 10, №4, P. 13-19.

134. Xie D.-S, Lu Y.-G. Prediction of stress concentration factors for cylindrical pressure vessels with nozzles// Intern. J. Pres. Ves. and Piping. 1985. Vol. 21. P. 1-20.

135. Wong F. M., Craft W.G., Eeast G.H. Stresses and displacements in vessels due to loads imposed by single and multiple piping attachments. Transaction of the ASME. Journal of Pressure Vessel Technology. 1985, v. 107,February, pp. 51-59.