Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

В самом деле, если трубопровод стремится переместиться по горизонтали на вели-

чину большую, чем Δ, то заданное смещение опоры как бы помогает ему это сделать. Но

до определенного предела: как только боковое перемещение превысит Δ, появляется бо-

ковая реакция, которая будет удерживать трубопровод в положении, соответствующем

его смещению на величину Δ. Эта реакция уравновесит разницу перемещений δ

– |Δ|. В

частном случае при δ

– |Δ| = 0 боковая реакция будет также равна нулю.

Подчеркнем, что речь идет о расчетном моделировании. То есть мы имеем дело с

расчетной схемой, с помощью которой описывается поведение конструкции при наличии

допустимого бокового зазора.

8. Упругие опоры и подвески

Основным элементом являются пружины или пружинные цепи. Применяются для

обеспечения свободы температурным расширениям трубопровода и регулирования напряже-

ний в трубопроводе за счет принудительного сжатия пружин. Упругая опора обычно распо-

ложена под трубопроводом (рис. 17а), а упругая подвеска – над ним (рис.17в). Если пренеб-

речь влиянием отклонения подвески от вертикального положения, расчетная схема в обоих

случаях будет одинакова (рис. 17 в и г). Для дальнейших рассуждений неважно, состоит ли

опора из одной пружины или цепей пружин, поэтому для простоты ограничимся рассмотре-

нием случая одной пружины.

Опора представляет собой линейно – упругую вертикальную связь. Реакция связи

всегда направлена вертикально вверх и состоит из двух слагаемых

rPR





а) б)

Рис. 17. Упругая опора и упругая подвеска

в) г)

где

- вертикальная сила, создаваемая за счет искусственного сжатия пружины на монтаже, а

- реакция пружины на перемещение трубопровода в точке С (равна жесткости пружины,

умноженной на это перемещение). Предполагается, что пружина постоянно находится в

сжатом состоянии. Благодаря именно этому упругая опора работает как двухсторонняя связь.

Физическую природу силы Р легче всего понять, если представить себе такую последова-

тельность сжатия пружины на монтаже. Пружина сжимается вне трубопровода (например, на

полу) с помощью домкрата. Величина сжатия пружины должна быть такой, чтобы

соответствующая ей сила сжатия соответствовала величине - Р.

Сжатие пружины фиксируется при помощи временных стяжек, приваренных к на-

правляющим стаканам. Затем пружина устанавливается на трубопровод, с помощью регули-

ровки длины тяги или подкладных пластин выбираются все зазоры и временные стяжки

разрезаются. В этот момент сила сжатия пружины Р передается как внешняя нагрузка на

закрепляемую точку С. Трубопровод на такое воздействие тут же отреагирует соответст-

вующим перемещением. Начиная с этого момента, в работу включаются две пружины – одна

из них это упругая опора, а вторая - сам трубопровод. В дальнейшем при разогреве трубо-

провода точка С может перемещаться вверх или вниз. Соответственно реакция опоры R

может уменьшаться или увеличиваться за счет изменения величины и направления действия

Идеал, к которому всегда следует стремиться, чтобы трубопровод работал на вос-

приятие собственных температурных расширений, как невесомая пружина. Исходя из этого

положения, реакции упругих опор подбираются таким образом, чтобы снять вес у нагретого

трубопровода. Другими словами в каждой точке закрепления С реакция упругой опоры R

должна быть такой, чтобы от действия веса вертикальное перемещение было равно нулю. С

таким расчетом и подбирается сила сжатия пружины Р. Для этого необходимо выполнить

следующие условия.

1. Рекомендуемое изменение реакции R при переходе трубопровода из холодного в

рабочее состояние и наоборот (зависит от видимого перемещения

холраб







) - не более

35%

рабраб

холраб

35100100 





Это достигается соответствующим подбором пружин упругой опоры



. Чем упругая опора

будет более жесткой (чем больше



), тем легче такое изменение обеспечить. Ограничение в

35% позволяет получить «сбалансированное» решение по условиям прочности в рабочем и

холодном состояниях. При достаточно большом видимом перемещении



ограничение

выполнить не всегда удается (цепи пружин получаются слишком длинными). Тогда возмож-

ны два варианта

- выйти за пределы ограничения в 35% при обязательном соблюдении критериев

прочности и жесткости в рабочем и холодном состояниях.

- перейти на опоры постоянного усилия (см. ниже).

2. Грузоподъемность упругой опоры должна быть достаточной для создания требуе-

мых значений

раб

хол

Выполнение условий невозможно, если местоположение опоры на трубопроводе вы-

брано неправильно.

Таблица результатов расчета упругих опор по ПС Старт приведена на странице 17.

В графе 1 приведены точки на оси трассы, в которых заданы упругие опоры или под-

вески. В графах 2÷4 – нагрузки на опоры, полученные в результатах расчета для рабочего,

холодного и монтажного состояний, в графе 5 – величина сжатия пружин вне трубопровода.

Автоматический подбор пружин упругих опор в ПС Старт проводится по рабочему и

холодному состоянию (в таблице эти графы выделены желтым цветом). Поэтому, если зна-

чения нагрузок в графе 4 превышают грузоподъемность подобранных по нормали пружин,

нужно вручную откорректировать исходные данные, меняя коэффициент запаса по нагрузке

(допустимое значение от 1 до 1.3) или предел изменения нагрузки на опору при переходе из

холодного состояния в рабочее (по умолчанию принимается 35%). Если же грузоподъем-

ность оказывается меньше силы сжатия вне трубопровода Р (графа 5), то это вовсе не озна-

чает, что нужно корректировать рабочие характеристики опоры: просто в этом случае целе-

сообразно выполнять регулировку ее пружин непосредственно на трубопроводе.

Все пружины в нормалях делятся на две категории: 1 – с допустимой осадкой 70

мм,

2 – с допустимой осадкой 140

мм. Каждой паре таких пружин соответствует одинаковая

грузоподъемность. Структура цепи 1+2+2 в графе 9 означает, что пружинная цепь состоит

из трех пружин одинаковой грузоподъемности с допустимой осадкой соответственно 70, 140

и 140 мм. Поскольку порядок расположения пружин в цепи для расчета не важен, в некото-

рых нормативных документах обозначение структуры 1+2+2 заменяется суммой входящих в

нее слагаемых 5. При структуре цепи 2+2+2+2+2 в графе 17 выдается примечание «опора

конструктивно невыполнима – структура цепи 10». Если расчет проводится без подбора

пружин (известны податливость и поддерживающее усилие упругой опоры), графы 7 и с 9 по

16-ю бу

дут пустыми. Соответствующие данные при необходимости нужно рассчитывать

вручную.

Рассчитанные характеристики упругих опор

таблица

Шифры

пружин

Высота пружин в состояниях,

(мм)

Нагрузка на опору в со-

стояниях, (кГс)

Но-

мер

точки

(узла)

ра-

бо-

чем

хо-

лод

ном

мон

таж

ном

сжа-

тия

вне

тру-

бопро

вода

Изме-

нение

на

груз-

ки

раб/

/хол,

(%)

Чи-

сло

пру-

жин-

ных

це-

пей

Ви-

ди-

мые

пере-

меще

ия,

(мм)

Стру-

ктура

цепи

стру-

кту-

ре

цепи

по

нор-

мали

сво-

бод-

ном

ра-

бо-

чем

хо-

лод

ном

мон-

таж-

ном

сжа-

тия

вне

тру-

бопро

вода

При-

меча-

ние

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

51 716 546 330 400 23.74 1 10 1 1 25 188 146 156 169 164

315 1023 952 867 931 6.94 1 4 1 1 25 188 128 132 137 133

1 10 201 161 153 162 158

318 961 1131 917 1015 17.69 1 8 1+2+2

2 26 201 163 161 162 160

607 1250 1402 1190 1034 12.16 1 5 1 1 27 226 182 177 184 190

619 200 188 154 87 6.00 1 13 2+2 2 05 151 101 104 112 129

В технологических трубопроводах нередко имеется несколько температурных

режимов и соответственно несколько расчетных (рабочих) состояний, в каждом из

которых нужна проверка условий работы упругих опор. В этом случае выбирается один

основной режим и для него выполняется обычный расчет с автоматическим определением

рабочих характеристик упругих опор. Затем рассчитываются остальные режимы, в которых

используются полученные в первом расчете податливости упругих опор; при этом в каждом

расчете силы сжатия вне трубопровода задаются как дополнительные сосредоточенные

весовые нагрузки в местах упругих опор, направленные вверх (по оси Z со знаком плюс).

Проверочных расчетов делается столько, сколько имеется дополнительных расчетных

состояний. При этом не факт, что такая процедура не потребует изменить параметры подбо-

ра пружин в основном расчете.

9. Опоры постоянного усилия

Применяются в тех случаях, когда ограничения по изменению нагрузки упругих

опор невыполнимы или требуется более надежное регулирование напряжений в трубопро-

воде.

Рис. 18. Жесткая подвеска с контргрузом

Идеальная схема опоры постоянного усилия показана на рис. 18. Жесткая подвеска

перекинута через вращающийся блок, на конце которого подвешен груз величиной Р. При

перемещениях трубопровода по вертикали поддерживающее ус

илие Р, передаваемое на

трубопровод остается постоянным. В силу своей громоздкости, такая конструкция на прак-

тике не применяется.

В современных конструкциях опор постоянного усилия обычно используется

пружинно – рычажный механизм, с помощью которого за счет предварительной регулиров-

ки сжатия пружин обеспечивается практически постоянное поддерживающее усилие в

фиксированном диапазоне возможных вертикальных перемещений.

На рисунке 19 приведены типичные рабочие диаграммы работы таких опор: по

вертикали – усилие, создаваемое искусственным сжатием пружины (или пружин, когда их

несколько), по горизонтали – перемещение. На рисунке 19а представлена диаграмма работы

опоры рычажно-пружинного типа, а на рисунке 19б – рессорного типа.

В качестве примера рассмотрим принцип действия рычажной опоры, показанной на

рисунке 20а.

Сжатая пружина стремится повернуть коромысло по часовой стрелке, а вес трубопро-

вода, передаваемый на это коромысло через вертикальную тягу, должен препятствовать

такому повороту. Схема работы представлена на рисунке 20б. Сила сжатия пружины S

создает относительно оси вращения рычага – коромысла момент М

= S·а. Момент от веса

трубопровода М

= Р·b уравновешивает этот момент, благодаря чему рычаг – коромысло

удерживается от поворота. Таким образом, справедливы отношения

= М

, S·а = Р·b ,



Отношение постоянного усилия Р к силе сжатия пружины S зависит от соотношения плеч

рычага – коромысла. Его поворот при возможных перемещениях трубопровода вверх или

вниз по вертикали должен приводить к пренебрежимо малым изменениям значений а и b.

const

max

min

а)

min

max

const

б)

Рис.19. Диаграммы работы опор постоянного

усилия

Рис. 20. Рычажная опора постоянного усилия

1 – малый диапазон перемещений рычага – коромысла, 2 – большой диапа-

зон перемещений рычага – коромысла, 3 – пружина, 4 – неподвижное креп-

ление (в корпусе опоры), 5 – вертикальная тяга.

Рис. 21. Варианты конструкций опор постоянного усилия

а)

б)

в)

г)

а) б)

Чтобы допустимое вертикальное перемещение было приемлемым (находилось в

диапазоне допустимого интервала δ

min

– δ

max

), одно плечо рычага – коромысла и делается

длиннее другого. Длина же короткого плеча призвана обеспечить малое отклонение пружи-

ны от горизонтали при повороте. Благодаря этому величина сжатия пружины S будет изме-

няться незначительно.

На рисунке 21 показаны различные варианты конструкций опор постоянного уси-

лия. На рисунках а, б и в – опоры рычажного типа, а на рисунке г – рессорного типа. Ве-

дущий в Европе производитель опор постоянного усилия – группа компаний Лизега (Li-

sega). Ее головное предприятие находятся в Германии.

Для выбора опоры по каталогу нужно знать вертикальное перемещение трубопро-

вода δ

и реакцию от веса трубопровода Р. От этих параметров зависят все остальные, в

том числе типоразмер пружины и сила ее предварительного сжатия.

В расчетной схеме трубопровода опора постоянного усилия моделируется силой Р,

приложенной к точке С на оси трубопровода (рис. 22).

Рис. 23. Крепление трубопровода к штуцеру аппарата

а)

б)

Рис. 22. Расчетная схема для опоры постоянного усилия

10. Крепление трубопровода к машинам и аппаратам

Машины и аппараты являются опорами, препятствующими свободным перемеще-

ниям трубопровода. Из всего многообразия вариантов моделирования наиболее харак-

терными являются следующие.

1. Фланцевое крепление трубопровода к агрегатам с движущимися частями (ком-

прессоры, насосы, турбины) и другим оборудованием, жестко закрепленным на фунда-

менте, которое по отношению к трубопроводу можно рассматривать как абсолютно же-

сткое тело (например, некоторые типы теплообменников).

Соединение моделируется неподвижной (мертвой) опорой в месте пересечения

оси трубопровода с плоскостью фланцевого разъема (точка

С на рис. 23а). Эта опора в

расчетной модели нагретого до расчетной температуры трубопровода может иметь сме-

щения

δ от нагрева присоединенного оборудования вдоль координатных осей X, Y, Z

(рис.23б).

2. Фланцевое соединение трубопровода с аппаратами листовой конструкции (ко-

лонны, емкости, резервуары). Допускается использовать ту же модель, что и в первом

случае. Неподвижное закрепление идет всегда в запас прочности трубопровода. Однако

при этом можно получить довольно большие нагрузки, передаваемые нагретым трубо-

проводом на аппарат.

Для того чтобы эти нагрузки приблизить к реальным значениям, нужно учесть по-

датливость стенки аппарата в месте врезки штуцера. Существенное влияние на упругую

работу оказывает угловая податливость соединения в вертикальной и горизонтальной

плоскости (соответственно вокруг осей Х и Z на рис. 24) и линейная податливость вдоль

оси штуцера (вдоль оси Y на рис. 24).

Рис. 24. Моделирование нестандартного крепления

Модель представляет собой нестандартное крепление, накладывающее шесть свя-

зей на закрепляемую точку С (реакции упругих связей на рисунке выделены красным

цветом, а жестких - черным):

- две угловые двухсторонние упругие связи, работающие на изгиб (вокруг осей Х

и Z);

- одна угловая двухсторонняя жесткая связь, работающая на кручение вокруг оси

штуцера (оси Y);

- одна линейная уп

ругая связь вдоль оси штуцера (оси Y), работающая на сжатие-

растяжение;

- две линейные двухсторонние жесткие связи в плоскости перпендикулярной оси

штуцера (вдоль осей Х и Z).

Податливость упругих связей определяется с помощью опции «Старт – штуцер»,

поставляемой с ПС Старт, или с помощью специальных программ (например, Штуцер -

МКЭ). При этом сам штуцер рассматривается как бесконечно жесткое тело длиной

Пример задания описанного крепления в исходных данных ПС Старт приведен

на рисунке 25. Податливости упругих связей проставлены произвольно.

Рис. 25. Пример задания нестандартного крепления,

моделирующего врезку в аппарат

В реальных расчетах можно использовать местную систему координат, привязан-

ную к оси штуцера. Опция «Старт – штуцер» определяет податливость приближенным

способом на основе методик, изложенных в WRC -297 и BS -550 (см. руководство поль-