Расчетная часть-Расчет компенсатора трубопроводного-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование транспорта и хранения нефти и газа

Расчетная часть-Расчет компенсатора трубопроводного-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование транспорта и хранения нефти и газа

4 РАСЧЕТ КОМПЕНСАТОРА

Для определения срока службы компенсатора и возможности его установки в схему трубопроводов станции при воздействии вибрации и температурных расширений необходимо произвести его усталостный расчет.
Усталость металла – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений (деформаций), приводящий к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. Выносливость – свойство металла противостоять усталости.
Подавляющее большинство деталей в процессе службы претерпевает воздействие циклически изменяющихся нагрузок. Поэтому примерно 90% повреждений деталей связано с возникновением и развитием усталостных трещин. Трещины усталости создают предпосылки для хрупкого разрушения и в этом одна из главных причин их опасности. Ни при каких других видах разрушения характеристики прочности не зависят от такого большого числа факторов, как при усталостном разрушении.
Величина предела выносливости зависит не только от состава материала, его структуры, режима термической и механической обработки, поверхностного упрочнения, но и от размеров образцов, вида напряженного состояния, наличия концентраторов напряжений, состояния поверхности образца, ее шероховатости, среды испытания, контакта с другими деталями и т.д. Кроме того, при испытании на усталость наблюдается существенное рассеяние характеристик выносливости.

4.1 Исходные данные для проведения расчетов

Обозначение компенсатора (рис 4.1) ОСТ 34-10-571
Давление условное Р_У=0,6МПа;
Проход условный D_У=1000 мм;
Компенсирующая способность 4 мм;
Жесткость линзы на сжатие 79 кН/см;
Эффективная площадь 0,934 мм;
Наружный диаметр трубопровода D_h=1020 мм;
Наибольший диаметр линзы D=1167 мм;
Длина компенсатора L=592 мм;
Толщина обоймы компенсатора S=10 мм;
Толщина стенки линзы S_1=2,5 мм;
См.рис.4.1.
Материал компенсатора 10Х17Н13М2Т
σ_В=520МПа.


Рисунок 4.1-Компенсатор

4.2 Определение величина напряжений

Величина напряжения определяется следующей зависимостью [13]:
〖 σ〗_(-1)=α_1×σ_В; (4.1)
где σ_В- предел кратковременной прочности, МПа.
Значения коэффициента α_1 приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1
Значение коэффициента α_1 в зависимости от вида нагружения.
Вид нагружения Стальной прокат и поковки Стальное литье
Изгиб α_1=0.47 α_1=0.38
Растяжение-сжатие α_1=0.35 α_1=0.28

σ_(-1)=0.35×520=182(МПа).

4.3 Обобщенные коэффициенты снижения усталостной прочности

Как показала практика, предел выносливости деталей ниже предела выносливости стандартных образцов, испытываемых в лабораториях. Снижение предела выносливости обусловлено не только наличием концентраторов напряжений, но и размерами детали. Качеством поверхности. Некоторое повышение предела усталостной прочности можно получить при поверхностной обработке детали.
Снижение усталостной прочности детали происходит, в основном, от действия местных напряжений, вызванных наличием концентраторов напряжений металлургического, технологического или конструкторского происхождения.

4.3.1 Значение теоретического коэффициента концентрации [13]

α_σ=σ_max/σ_ном ; (4.2)
где σ_max- теоретическое напряжение, максимальное для данного сечения, определенное методом теории упругости или экспериментально;
σ_ном- номинальное напряжение, найденное без учета концентраторов.
Для определения значений σ_max и σ_ном построим модель трехлинзового компенсатор в программе «Ансис» (рис 4.2) и практически найдем эти значения при его перемещении от 0 до 16 мм . Практически полученные значения приведены в таблице 4.2.

Рисунок 4.2- Модель компенсатора, построенная в программе «Ансис»
Таблица 4.2
Практические значения σ_max и σ_ном
Перемещение , мм 0 4 8 12 16
σ_max,МПа
0 116 233 350 468
σ_ном,МПа
70,2

Для определения теоретического коэффициента концентрации возьмем значение σ_max=116 МПа при перемещении на 4 мм, которое соответствует максимальному перемещению для одной линзы.

α_σ=116/70,2=1,65;


4.3.2 Значение эффективного коэффициента концентрации [13]

Металлы и сплавы с неоднородной структурой имеют пониженную чувствительность к концентраторам напряжений, что приводит к снижению эффективных коэффициентов концентрации напряжений. Для конструкционных и легированных сталей чувствительность к концентраторам напряжений возрастает с повышением предела прочности и в среднем составляет q=0.6-0.8 [13].

К_σ=q_σ×(α_σ-1)+1; (4.3)

где q_σ- коэффициент чувствительности материала, принимаем равной 0.7.

К_σ=0.7×(1.65-1)+1=1.455.

4.3.3 Значение коэффициента учитывающего состояние поверхности детали и рабочей среды

При действии циклических напряжений начало разрушения связано с образованием местной поверхностной трещины. Очевидно, что в случае чистой и тонко обработанной поверхности предел усталости возрастает. При грубой обработке наличие мелких поверхностных дефектов приводит к снижению поверхностной прочности. Для материалов, обладающих большей чувствительностью к местным напряжениям, влияние состояния поверхности будет более заметным. При расчетах на усталостную прочность обработка поверхности учитывается коэффициентом качества поверхности, который определяется по справочным данным в зависимости от метода обработки поверхности и рабочей среды.
Значение коэффициента учитывающего состояние поверхности детали и рабочей среды К_F принимаем равным 1.05 таблица 4.3.
Таблица 4.3
Значение коэффициента К_F, учитывающего состояние поверхности детали и рабочей среды


4.3.4 Значение коэффициента учитывающего размеры сечения детали

При расчете детали на усталостную прочность наряду с фактором состояния поверхности необходимо учитывать также еще масштабный фактор. Величина предела усталости зависит от абсолютных размеров испытываемых образцов. Объясняется это тем, что усталостное разрушение определяется не только напряжениями в наиболее нагруженных точках, но и общими законами распределения напряжений в объеме тела в процессе образования и развития. Опыты, проведенные на образцах различного размера показали, что с увеличением последних предел усталости уменьшается.
Значение коэффициента учитывающего размеры сечения детали К_(d,σ) принимаем равным 1[13] .

4.3.5 Значение коэффициента учитывающего поверхностное упрочнение

Большие возможности для повышения усталостной прочности дают специальные способы обработки поверхности: химико-термические, механические, термические и термохимический.
Значение коэффициента учитывающего поверхностное упрочнение К_V принимаем равным 1[13].

4.3.6 Обобщенный коэффициент снижения усталостной прочности детали [13]

(К_σ )_Д=(К_σ+К_F-1)/(К_(d,σ)×К_V ); (4.4)
(К_σ )_Д=(0.7+1.05-1)/(1×1)=0.75.

4.4 Определение запаса усталостной прочности компенсатора

4.4.1Симметричный цикл нагружения

Условия усталостной прочности при действии симметричного цикла нагружения определяется отношением пределов выносливости детали определяется пределами выносливости стандартных образцов при симметричном цикле с учетом обобщенных коэффициентов снижения усталостной прочности детали:

n_σ=σ_(-1)/(σ_a×(K_σ )_Д )≥[n_σ ] => σ_a=σ_(-1)/(n_σ×(K_σ )_Д ); (4.5)

где n_σ- коэффициент запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям.

σ_a=182/(1.3×0.75)=186.2(МПа)

4.4.2 Асимметричный цикл нагружения

Чтобы охарактеризовать сопротивляемость материала действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла, строят так называемую диаграмму предельных напряжений (рис. 4.3). В ней по оси ординат откладывают наибольшее и наименьшее напряжения цикла, а по оси абсцисс — среднее напряжение цикла (диаграмма Смита). Их предельные значения определяются при данной характеристике цикла опытным путем в результате построения кривых усталости.
Начнем с симметричного цикла (r=-1) . Предельным напряжением в этом случае будет предел выносливости σ_(-1). Следовательно,
σ_(-1max)=σ_(-1); σ_(-1min)=σ_(-1); σ_(-1c)=0.
Этому циклу на диаграмме соответствуют точки A и А_1^', лежащие на оси ординат.
Проведя испытания компенсатора в программе «Ансис» с различными перемещениями из, определим наибольшее и наименьшее значения напряжений (таблица 4.4).
Таблица 4.4
Значения максимальных и минимальных напряжений
 M_1 N_1 O_1 〖M^'〗_1 〖N^'〗_1 〖O^'〗_1
Значение напряжения, МПа 
218 
228 
231.5 
125 
36 
130

Нанесем на диаграмму (рис 4.3) точки M, N, O и M^',N^',O^' .
Соединяем линиями все точки, изображающие максимальные и минимальные предельные напряжения циклов. Очевидно, правая крайняя точка диаграммы (точка D ) соответствует циклу, при котором
σ_max 〖=σ〗_min=σ_c , т. е. постоянной нагрузке. Предельной нагрузкой в этом случае является предел прочности материала. Следовательно, абсцисса и ордината точки равны пределу прочности материала. Таким образом, ординаты точек линии соответствуют пределам выносливости материала при различных значениях коэффициента асимметрии циклов.


Рисунок 4.3- Диаграмма предельных напряжений без учета коэффициента запаса прочности.

Нанесем на диаграмму (рис 4.4) точки M_2,N_2,O_2 и M_2^',N_2^',O_2^' с учетом коэффициента запаса прочности (принимаем равным 1.3), данные приведены в таблице 4.5.
Таблица 4.5
Значения максимальных и минимальных напряжений с учетом коэффициента запаса прочности
 M_2 N_2 О_2 〖M_2〗^' 〖N^'〗_2 〖O^'〗_2
Значение напряжений, МПа 
167.7 
175 
178 
96 
27.7 
100


Рисунок 4.4-Диаграмма предельных напряжений
На основании произведенных расчетов, построенной диаграммы предельных напряжений и полученных данных о вибрации в насосном зале можно сделать вывод: амплитуда вибраций находится в зоне, которая свидетельствует о том, что для компенсации достаточно одной линзы в компенсаторе и его срок службы равен сроку службы трубопровода. Разделение технологических трубопроводов компенсаторами от насосных агрегатов является оптимальным решение для борьбы с вибрацией в насосном зале. Компенсатор имеет большой запас прочности и даже в случае температурного расширения трубопровода в пределах компенсирующей способности будет способен уменьшать нагрузки со стороны технологических трубопроводов.