Расчет на прочность накидных фланцевых соединений футерованных трубопроводов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО

НАКИДНЫМ ФЛАНЦЕВЫМ СОЕДИНЕНИЯМ.

1.1. Конструктивные особенности накидных фланцевых соединений

1.2. Анализ геометрии контактных поверхностей сопрягаемых элементов бугельного и клинового фланцевых соединений

1.3. Задачи исследования

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ БУГЕЛЬНОГО ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

2.1. Использование методики планирования эксперимента при изучении напряженного состояния.бу . гельного соединения

2.2. Методика измерения нагрузки болтов и-суммарных напряжений в.элементах.бугельного соединения

2.3. Методика измерения контактных напряжений, возникающих в сопрягаемых элементах бугельного соединения

2.4. Экспериментальное изучение бугельного фланцевого соединения при работе трубопровода на . изгиб и действие внутреннего давления

3. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НАКИДНЫХ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

НА ДЕЙСТВИЕ. НАГРУЗКИ БОЛТОВ И ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ 3.1. Выбор расчетной нагрузки болтов

3.2. Обоснование расчетной схемы бугельного . соединения.

3.3. Расчет бугельного соединения на действие . нагрузки болтов

3.4. Результаты расчета бугельного соединения на действие нагрузки болтов.

3.5. Расчет бугельного соединения на.действие . внутреннего давления

3.6. Рекомендации по конструированию.бугельного . фланцевого соединения

3.7. Статический расчет бугельного соединения,, подкрепленного продольными ребрами . ЮО

3.8. Определение напряженного состояния клино-. вого фланцевого соединения . . ИЗ

На У-Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике в г.Алма-Ате, конкретизируя поставленные ХХУ1 съездом КПСС задачи, академик И.Ф.Образцов наряду с проблемами динамической прочности ядерных энергетических систем назвал проблему динамики и прочности трубопроводных систем, имеющих важное народнохозяйственное значение[ 1, Z] .

Как известно, трубопроводные системы соединяются с помощью фланцевых соединений, поэтому внутри комплексной проблемы прочности трубопроводов находится и проблема прочности фланцевых соединений.

Фланцевое соединение представляет собой разъемное прочно-плотное соединение трубопроводов, сосудов и аппаратов. В различных отраслях промышленности применяются более сорока типов фланцев. Многие из них нормализованы и стандартизированы.

Методы расчета фланцевых соединений освещены в известных работах С.П.Тимошенко [3] , А.А.Волошина и Г.Г.Григорьева [4, 5,6] , А.А.Захарова [7] , П.А.Павлова С3 ] , Е.А.Иванова, А.В.Шепелева и Т.В.Лялина [9] , Д.Ф.Гуревича Г 10] , А.У.ЕУГО-ва [ И] , Е.Уотерса [11] и др. [ Yb, 1Д 15,16, 17, iS ].

Но в ряде случаев возникает необходимость конструировать и рассчитывать фланцевые соединения специального назначения, не освещенные в технической литературе. Как известно, задача расчета фланцевых соединений относится к общей проблеме прочности пластин и оболочек. Но при расчете любого фланцевого соединения возникает много специальных вопросов, на которые общая теория расчета оболочек еще не может ответить.

В настоящей работе исследуются накидные (или быстроразъемные) фланцевые соединения футерованных трубопроводов. Эти соединения относятся к специальным видам фланцевых соединений, по которым комплексных исследований пока нет. Накидные фланцевые соединения имеют ряд преимуществ по сравнению с применяемыми в настоящее время для футерованных труб так называемыми свободными фланцами: меньший вес, удобство монтажа и транспортировки.

В связи со сказанным исследования по накидным фланцевым соединениям представляются актуальными. В основу исследований был положен метод идентификации, который, включает в себя три этапа: экспериментальное изучение поведения объекта, построение математической модели на основе результатов экспериментальных исследований и проверка соответствия поведения объекта и модели. Такой подход к решению задачи определил цель и этапы исследований.

В работе приведены результаты исследований двух типов накидных фланцевых соединений: бугельного и клинового. Натурные экспериментальные исследования были проведены на бугельных фланцевых соединениях. На основе результатов экспериментальных исследований была выбрана расчетная схема бугельного фланцевого соединения и разработана методика его расчета, проведено сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования бугельного фланцевого соединения. Разработана методика расчета бугельного фланцевого соединения на действие нагрузки болтов, внутреннего давления и изгиба трубопровода.

На основе исследования геометрии контакта сопрягаемых элементов бугельного фланцевого соединения разработана новая конструкция накидного фланцевого соединения - клиновое фланцевое соединение, - признанное изобретением с присвоением номера 655871 [19].

Реализация работы. В настоящее время изготовлен и опробован штамп на Первоуральском новотрубном заводе для изготовления бугельных фланцевых соединений. Результаты проведенных исследований будут использованы при разработке новых технических условий по применению накидных фланцевых соединений вместо свободных фланцев.

Диссертация состоит из трех глав. В первой главе приводится обзор экспериментальных и теоретических работ по накидным фланцевым соединениям, а также анализ геометрии, контактирующих поверхностей в элементах накидных фланцевых соединений. Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию бугельного соединения на действие нагрузки болтов, внутреннего давления и действия изгиба трубопровода. В третьей главе приводятся результаты теоретического определения напряженного состояния бугельного и клинового фланцевых соединений.

Работа выполнена в Уральском политехническом институте им.С.М.Кирова на кафедре "Строительная механика" под руководством профессора д.т.н. В.Й.Климанова и научного консультанта доцента к.т.н. В.К.Сисьмекова.

I. ОБЗОР ЭКСПЕШМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО НАКИДНЫМ ФЛАНЦЕВЫМ СОЕДИНЕНИЯМ

7. Результаты исследования приняты для разработки новых технических условий по применению накидных фланцев для футерованных труб. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработаны рекомендации по конструированию бугельного и клинового соединений. На Первоуральском новотрубном заводе изготовлен и опробован штамп для бугельного фланца. Ожидаемый экономический эффект за счет экономии материала составляет 30 тыс.руб.

Заклечение

1. В диссертационной работе исследованы экспериментально и теоретически два типа накидных фланцевых соединений: бугель-ное и клиновое. Эти фланцевые соединения предназначаются для футерованных трубопроводов вместо свободных фланцев, применяемых в настоящее время.

2. На основе экспериментально-теоретического анализа геометрии контактирующих поверхностей бугельного соединения установлено, что полный контакт сопрягаемых элементов соединения достигается лишь в конечной позиции при условии точной посадки, до этого контакт является точечным.

3. Проведенные экспериментальные исследования бугельных фланцев на прочность от действия нагрузки болтов показали, что наибольшими являются изгибные напряжения из плоскости кривизны, возникающие в цилиндрической оболочке фланца. Это позволило выбрать расчетную схему бугельного фланца в виде нар-нирно опертой цилиндрической оболочки, нагруженной краевыми усилиями и моментами. Расчет цилиндрической оболочки проведен методом перемещений с использованием ЭВМ. Получено удовлетворительное совпадение результатов расчета с данными эксперимента. Кроме того, экспериментально изучена работа бугельного соединения при изгибе трубопровода и на действие внутреннего давления.

4. Наряду с исследованием гладкого бугельного соединения проведен статический расчет бугельного соединения, подкрепленного продольными ребрами. Показано, что постановка ребер средней жесткости уменьшает наибольшие прогибы оболочки примерно в три раза.

5. На основе теоретического и экспериментального анализа геометрии контакта сопрягаемых элементов бугельного соединения разработана конструкция клинового фланцевого соединения (A.c. №655871), расчет которого произведен методом конечных элементов (стержневая аппроксимация).

6. Благодаря увеличению площади контакта сопрягаемых элементов, клиновое фланцевое соединение следует признать более надежным по сравнению с бугельным.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981.- 223 с.

2. Образцов И.Ф. О некоторых перспективных прикладных проблемах механики, имеющих народнохозяйственное значение.- Механика твердого тела, 1982, № 4, с.3-10.

3. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов, т.2, М.: Гостехиздат, 1946. .

4. Волошин A.A. Расчет фланцевых соединений трубопроводов.- Л.: Судпромгиз,.1959. 291 с. , .

5. Волошин A.A., Григорьев Г.Т. Расчет и.конструирование фланцевых соединений. Справочник. Л.: Машиностроение, 1972.- 136 с.

6. Волошин A.A., Григорьев Г.Г. Расчет и конструирование фланцевых соединений. Справочник.,- 2-е изд. перераб. и доп. Л.: Машиностроение,.1979. 125 с.

7. Захаров A.A. Расчет фланцевых соединений трубопроводов и цилиндрических сосудов. М. - Л.: Машгиз (Ленингр. отд.), 1958. - 40 с.

8. Павлов П.А. , Хангу Ю.Э., Будин Е.М.• Расчет герметичности фланцевых соединений типа "шип-паз", из фторопласта-4 при переменном внутреннем давлении и температуре. Химическое и нефтяное машиностроение, 1975, № 5, с.11-12.

9. Трубопроводы в химической промышленности./Иванов Е.А., Шепелев A.B., Лялин Т.В. и др. М.: Машгиз, 1963. - 428 с.

10. ГуревичД.Ф. Трубопроводная арматура. Справочное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1981.- 368 с.

11. Бугов А.У. Фланцевые соединения. Расчет и конструирование. Л.: Машиностроение, 1975. - 191 с.

12. Е. WAters . Formutas for stress in 6ottecL f¿angel connections, Trans of ASME, У.59, No 3, 1957.

13. Каган Б.Ф., Гусев Г.Г., Синкевич К.В. Анализ конструкций стальных труб, фетерованных винипластом и полиэтиленом.- Сб. тр. /НИИ санитарной техники, М.: Госстройиздат, 1962, вып. 12, C.I0I-II7.

14. Шевелев Ф.А., Каган Д.Ф.Анализ способов и типов соединений полиэтиленовых труб. Сб.тр. /НИИ санитарной техники, М.: Госстройиздат, 1961, вып. 8, с.26-64.

15. Канторович З.Б. Машины химической промышленности. -М.:-Машиностроение,.1965. 415 с.

16. Никитина И.К. Справочник по трубопроводам тепловых электростанций. М.:.Энергоатомиздат, 1983. - 175 с.

17. Рахмилевич Р.З., Зусмановская С.И. Расчет аппаратуры, работающей под давлением. - М.: Изд. стандартов, 1968. - 180 с. . 18. Корндорф Б.А. Техника высоких давлений в химии. - Л.- М.: Госхимиздат, 1952, -.440 с.

18. A.c. 655871 (СССР). Трубное соединение. /Ф.Г.Лялина, В.К.Сисьмеков, О.В.Рабинзон. Опубл. в.Б.И.,.1979, № 13.

19. Технические условия на изделия, футерованные полиэтиленом высокой плотности. ЧМТУ 3-271-69.

20. A.c. 528422 (СССР). Быстроразаемное соединение с коническими, фланцами, /Ю.А.Пархоменко, Я.М.Мейлихан, М.Т.Романи-шин. Опубл. в Б.И., 1976,.№ 34.

21. A.c. 512334 (СССР). Устройство для соединения труб.

22. В.Н.Песюков, В.А.Вайсенгольц, В.М.Светличный и др. Опубл.-в Б.И., 1976, № 16.

23. A.c. II2870 (СССР). Соединение труб при помощи фланцев. П.Т.Хохряков. Заявлено 09.1.1955 в Министерство морского флота СССР.

24. Протопопов В.Б. Уплотнение судовых фланцевых соединений. -Л.: Судпромгиз, 1959. -340с.

25. Трубное соединение Мураяма Хикота (Япония). "Хайкен то соти Pdping О о с/ Process /?7ос/? , Х975, 15,

26. Опубл. в PI. Химическое, нефтеперерабатывающее и полимерное машиностроение, 1976, № б.

27. Фирма ROHRE, Pk&udeer werke AktLencjesecesha.ft. Shchwetzingen.- Экспресс информация.

28. Гаджи-Заде Б.Р. Метод конечных разностей в задаче о напряженно-деформированном состоянии короткой цилиндрической оболочки. -.В.кн.: Ученые записки-Азербайджанского гос. университета, серия физико-матем. наук, 1971, № I, с.10-14. .

29. Ахун-Заде М.Ю., Гаджи-Заде.Б.Р. Исследование напряженно-деформированного состояния коротких цилиндрических оболочек методом перемещений. В кн. Ученые записки Азербайджан-' ского с/х института, серия "Механизации", 1971, Не 4, с.21-34.

30. Кан С.Н. Расчет цилиндрических оболочек покрытий зданий. Киев: Вища школа, 1973. 100 с.

31. Милейковский Й.Е. Расчет оболочек и складок методом перемещений. М.: Госстройиздат, I960. - 174 с. .

32. Расчет.сооружений с применением вычислительных машин. /А.Ф.Смирнов, А.В.Александров, Н.Н.Шапошников и др. М.: Стройиздат, 1964. - 380 с.

33. Александров A.B., Лащеников Б.Я., Шапошников H.H. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы. М.: Стройиздат, 1983. - 488 с.

34. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементовв расчетах судовых конструкций. -Л.: Судостроение, 1974.-344 с.

35. Александров A.B. Шапошников К.Н. Об использовании дискретной модели при расчете пластинок с применением ЭВМ. /Труды МИИТ, вып. 194, 1966, с.50-68.

36. Розин Л.Л. Стержневые системы конечных элементов. -Л.: Из.д~во Ленингр. ун-та, 1975. 237 с.

37. Городецкий A.C. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений. М.: Транспорт, 1981. - 143 с.

38. Городецкий A.C., Горбовец A.B., Павловский В.Э. Инструкция к программе.решения задач теории упругости методом конечных элементов (Мираж). М.: изд. ЦНИПИАСС, 1975. - 53 с.

39. Золютов О.Н., Кирикос E.H. Инструкция к программе статического расчета оболочек покрытий складчатого типа (Рост). ~ М.: ЦНИПИАСС, вып. 1-202, 1976.- 48 с.

40. Справочник машиностроителя, т.4 /Под ред. Н.С.Ачерка-на. М.: Машгиз, 1963.

41. Исследования в области металлорежущих станков. /Под ред. Н.С.Ачеркана. М.: Машиностроение, 1964. - 176 с.

42. Планирование эксперимента.при поиске оптимальных условий. 2-е изд. перераб.и доп. /Ю.П.Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В.Грановский. - М.: Наука, 1976. - 279 с.

43. Адлер Ю.П., Грановский Ю.В. Обзор прикладных работ по планированию эксперимента. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1972.- 128 с.

44. Климанов В.И., Стетюха В.А. Экспериментальное изучение поведения гибких цилиндричзских панелей, работающих в составене разрезной системы. Проблемы прочности, 1981, № 9, с.116-118.

45. Пригоровский Н.И. Экспериментальные методы определения напряжений при усовершенствовании машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1970. - 105 с.

46. К.Финк, Х.Рорбах. Измерение напряжений и деформаций.- М.: Машгиз, 1961. 535 с.47. ^узга. Электрические тензометры сопротивления. М.: Мир, 1964. - 356 с.

47. Тензодатчики для экспериментальных исследований. /Н.П.Клокова, В.Д.Лукашник, Л.М.Воробьева и др. М.: Машиностроение, 1972. - 151 с.

48. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. JL: Наука, 1974. - 108 с.

49. Ротницкая Л.Г., Карасев Л.П. Использование датчиков омического сопротивления для измерения осевых усилий в болтах.- Заводская лаборатория, 1956, №7, с.856-857.

50. Дувидзон И.А., Уманский С.Э. К вопросу о решении контактных задач теории упругости и пластичности. Проблемы прочности, 1982, №1, с.50-54.

51. Стукач В.Н. Экспериментальное исследование распределения давления по опорной плоскости торцового витка винтовой пружины. Изд. ВУЗ. Машиностроение, 1968, №1, с.38-41.

52. Контактное взаимодействие твердых тел. Сб.тр. /Калинин, университет, 1982. - 152 с.

53. Демкин H.B. Свойства фрикционного контакта. Трение и износ, 1982, № 4, с.586-595.

54. Григолюк Э.И., Толкачев В.И. Контактные задачи теории пластин и оболочек. М.: Машиностроение, 1980. - 411 с.

55. Напряженное состояние и пластичность при деформации металлов. /Под ред. Павлова И.М. М.: Наука, 1966. - 204 с.

56. Лялина Ф.Г. Экспериментальное исследование накидных фланцевых соединений футерованных трубопроводов на действие внешнего изгибающего момента. /Рукопись, деп. в ЦИНТИхимнефте-маш, 15 августа 1979, № 500.

57. Сисьмеков В.К., Усачев A.A. Экспериментальное исследование прочности фланцевых соединений под действием внешнего изгибающего момента. Сб. тр. /УПИ, Свердловск, 1962, вып. 132,с.102-109.

58. Отчет о НИР: Исследование прочности и герметичности накидных фланцев и разработка технических условий на применение их в промышленных трубопроводах. /Отчет УПИ, № гос.per. 75029989, 1977.

59. Клячкин Н.Л. Исследование усилий в болтах фланцевых соединений, нагруженных осевой силой и изгибающим моментом. Химическое и нефтяное машиностроение, 1971, № 4, с.5-8.

60. Карасев Л.П. Усилия во фланцевом соединении, находящемся под действием поперечной нагрузки. Химическое и нефтяное машиностроение, 1974, № 2, с.13-15.

61. Дунаев.П.Ф., Леликов О.П. Расчет болтов затянутого соединения. Изв. ВУЗ: Машиностроение, 1976, №3, с.37-40.

62. Сисьмеков В.К., Лапкин А.Н., Лялина Ф.Г. Определение расчетной нагрузки на болты накидных фланцевых соединений трубопроводов. В кн.: Исследование пространственных конструкций'. -Свердловск: УПИ им.С.М.Кирова, 1978, вып.2, с.86-90.

63. Никиреев В.М., Шадурский В.Л. Практические методы расчета оболочек. м.: Стройиздат, 1966. - 271 с.

64. Передерни С.К., Ковальский B.C., Кузьменко А.П. Цилиндрическая оболочка под действием внешних продольных моментов.- Прикладная механика, 1970, том У1, вып.7, с.113-115.

65. Виноградов Ю.И., Клюев А.К. Напряженно-деформированное состояние цилиндрической оболочки при сосредоточенном нагруже-нии. Изд. ВУЗ. Машиностроение, 1973, №11, с.5-9.

66. Гольбрайх Л.С., Рапопорт Л.Д. Метод перекрестных стержней для расчета осесимметричных оболочек. В кн.: Расчет пространственных конструкций. /Под ред. Уманского A.A. 1974,с.123-129.

67. Лялина Ф.Г. Расчет на прочность накидных фланцевых соединений футерованных труб на действие болтовой нагрузки. -Строительство и архитектура, iJg^O » №5, с.48-52.

68. Климанов В.И. Устойчивость и собственные колебания неразрезных тонкостенных систем, сочлененных из прямоугольных панелей. Дис. . д.техн.наук. - Свердловск, 1972.

69. Лисовский A.C., Окишев В.К., Усманов Ю.А. Плоский изгиб и растяжение тонкостенных брусьев. М.: Машиностроение, 1972. - 167 с.

70. Экспериментальное исследование прочности и плотности фланцевых соединений трубопроводов с покрытиями. /В.К.Сисьмеков, Р.М.Толстиков, Ф.Г.Лялина и др. В кн.: Тезисы докладовтзз

71. Четвертой научно-технической конференции Уральского ордена Трудового Красного Знамени-политехнического института им.С.М.Кирова. Свердловск, 1973, с.83.

72. Лялина Ф.Г., Сисьмеков В.К. Экспериментальное исследование плотности фланцевых соединений трубопроводов с покрытиями. В кн.: Тезисы докладов Первой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Уральской зоны. Свердловск, 1974, с.55-59.

73. Городецкий A.C., Горбовец A.B., Павловский В.Э. Программа расчета пространственных стержневых систем "Экспресс-32 А". М.: ЦНИПИАСС, №1-156, 1973. 52 с.

74. Мак-Кормик С.У. Решение плоской задачи теории упругости. «В кн.: Расчет строительных конструкций с применением электронных машин. М.: Стройиздат, 1967, с.268-285.

75. Пат. II1975 (ГДР). Разъемное трубное соединение. РЖ "Машиностроительные материалы, конструкции и расчет деталей машин. Гидропривод", 1976, № 2, с. 140.

76. Пат. 4300792 (США). Трубопроводное соединение. РЕ "Машиностроительные материалы, конструкции и расчет деталей машин. Гидропривод", 1982, № 8, с. III.

77. Пат. (ФРГ). Шарнирное.трубопроводное соединение. Заявл. 23.10.80, № 30399II, опубл. 13.05.82. РЖ "Машиностроительные материалы, конструкции и расчет деталей машин. Гидропривод", 1983, № 5, с.108.

78. Пат. (Франция). Трубопроводное соединение. Зэяел. 12.05.80, № 2482250, опубл. 13.II.81. РН "Машиностроительные материалы, конструкции и расчет деталей машин. Гидропривод", 1982, № 12, с.142.