Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

Как правило, универсальные компенсаторы представляют собой сильфон с пат-

рубками или фланцами на концах (рис. 19,а) для соединения с примыкающими трубами,

т.е. они не имеют конструкции, обеспечивающей поворот в заданном направлении или

сдвиг – децентровку осей. Поэтому, подобно осевым неразгруженным компенсаторам,

они передают на неподвижные опоры большие распорные усилия от внутреннего давле-

ния. В каталогах на такие компенсаторы обычно приводятся четыре характеристики:

допустимые осевой [Δ

] и боковой [h

] ход, допустимый угол поворота [θ

], а также эф-

фективная площадь

эф

. Нужно иметь в виду, что каждая величин [Δ

], [h

] и [θ

] явля-

ется максимально допустимой при условии отсутствия двух остальных. Например, до-

пустимый осевой ход характеризует работу компенсатора при условии, что сдвиг и по-

ворот отсутствуют. Возникает естественно вопрос: как проверить правильность выбора

компенсатора при наличии одновременно трех перемещений - углового осевого и сдви-

гового?

В результате расчета по ПС Старт в универсальном компенсаторе получаются три

деформации (рис. 19, б): линейная вдоль оси трубопровода

- Δ

, линейная поперек оси

трубопровода - h

и угловая - θ

. Причем деформации сдвига и поворота вычисляется

как геометрическая сумма их компонентов в двух взаимно перпендикулярных плоско-

стях

0 iр

hhh  ,

0 iр



 .

Для того чтобы проверить правильность выбранного универсального компенсато-

ра используется следующая формула

  

1

,, ,,,,

в которой [Δ

], [h

] и [θ

] – соответственно допускаемые осевая, сдвиговая и угловая де-

формации компенсатора по каталогу.

При определении нагрузок на неподвижные опоры распорные усилия вычисляют-

ся по формуле

эфрасп

FРР





и прикладываются в качестве осевой нагрузки в месте установки универсального ком-

пенсатора.

Универсальный компенсатор предназначен в основном для работы в каче-

стве осевого, но в отличие от него, допускает небольшие перекосы на сдвиг и пово-

рот. Это обстоятельство не позволяет определить эффективность выполнения растяжки

такого компенсатора, выполняемой для увеличения величины его осевого хода. Влияние

осевой растяжки может ухудшить способность компенсатора воспринимать боковые и

угловые перемещения. Поэтому универсальные компенсаторы, как правило, следует

монтировать без предварительной растяжки.

3.7. Когда компенсирующее устройство не моделируется в одной точке

Существуют компенсирующие устройства, работу которых сложно моделировать

упругими внутренними связями в одной расчетной точке. Типичным примером могут

служить осевые компенсирующие устройства, применяемые для разгрузки штуцеров ап-

паратов от температурных расширений присоединяемого трубопровода (рис. 20, а, б).

Устройство состоит из промежуточного Т-образного разветвления и сильфонов,

расположен

ных с двух сторон от него (рис. 20, а, б). Совместная работа сильфонов обес-

печивается стяжками, закрепленными на концах прямого участка устройства. Устройст-

во имеет три концевых сечения, одно из которых заглушено, а два других

А и В стыку-

ются с трубопроводом. Заглушенное сечение в обязательном порядке образует на трубо-

проводе свободный конец. Компенсационное устройство является разгруженным – рас-

порное усилие сильфонов воспринимается стяжками.

В условиях стесненной компоновки применение подобного устройства дает

большой эффект. При разогреве на величину Δ компенсирующее устройство, благодаря

наличию стяжек, перемещается поступательно как жесткое тело – один сильфон работает

на сжатие, а другой – на растяжение (рис. 20, в). Так что короткое ответвление L остает-

ся неподвижным, а с ответвления к аппарату снимается усилие, возникающее в резуль-

тате нагрева магистральной части на величину Δ.

Модель, наиболее близко описывающая работу устройства, представлена на ри-

сунке 20, г. Т- образное соединение имеет на концах магистрали осевые компенсаторы,

совместная работа которых обеспечивается байпасной линией, связывающей концы ком-

пенсационного устройства. Элементы байпасной линии - бесконечно жесткие невесомые

стержни, причем поперечины 1 достаточно короткие, чтобы уменьшить влияние эксцен-

триситета от нагрева перемычки 2. Все углы байпасной линии - жесткие (без отводов), а

в Т- образном соединении не учитывается ослабление отверстием, поскольку оно в дан-

ном случае слабо влияет на его упругую работу. Другими словами врезка заменяется же-

стким узлом, в котором сходятся три стержня.

Характерный пример, показывающий эффективность применения компенсирую-

щего устройства показан на рисунке 21. В первом случае, когда используется самоком-

пенсация (рис. 21, а, в), трубопровод не отвечает условиям прочности, а нагрузки на кон-

цевые опоры (штуцера аппаратов) N

и N

составляют 21.6 тонны. Во втором случае

(рис. 21, б, г) условия прочности трубопровода обеспечиваются с большим запасом, а

нагрузки на аппараты N

и N

оказываются сниженными на порядок и составляют 2.3

тонны.

а)

Рис. 20. Осевое компенсационное устройст-

во для разгрузки штуцера аппарата

б)

г)

в)

а)

б)

г)

Рис. 21. Соединение трубопровода с аппаратами

а, б – варианты компоновки; в, г – расчетные модели

4. Выбор компенсаторов

При использовании нормализованных конструкций компенсаторов, их выбор про-

изводится в зависимости от условного давления и компенсирующей способности при

заданном числе циклов. При этом компенсирующая способность осевого компенсатора

должна быть не менее расчетного перемещения (осевого хода), поворотного - не менее

расчетного угла поворота (углового хода), сдвигового - расчетного перемещения, пер-

пендикулярного оси компенсатора (сдвига), универсального – приведенного осевого пе-

10 000

1000

219х6

1 000

10 000

в)

1 000

10 000

ремещения, определяемых на основании результатов расчета на прочность трубопровода

в целом.

5. Мгновенно изменяемые системы

Трубопровод, как конструкция, предназначен для восприятия действующих нагру-

зок и их передачу на опоры. При использовании различного типа подвижных соединений

нужно постоянно помнить о необходимости сохранять его геометрическую неизменяе-

мость, как в целом, так и в отельных его частях (фрагментах). Иначе трубопровод теряет

способность противостоять действующим нагрузкам - происходит своеобразное «пере-

рождение» геометрически неизменяемой конструкции в мгновенно изменяемую. Мгно-

венно изменяемой называется стержневая система, в которой возможны переме-

щения отдельных точек без изменения длин стержней. Для решения подобных задач

методы строительной механики непригодны, а выходя за рамки теории можно получить

любые случайные результаты.

Опасность мгновенно изменяемых систем заключается в отсутствии состояния ус-

тойчивого равновесия, в результате чего поведение конструкции под нагрузкой стано-

вится неопределенным. В таблице 3 приведено четыре характерных примера, заимство-

ванных из практики пользователей программы Старт.

Таблица 3

Примеры мгновенной изменяемости и способы ее устранения

№№

п/п

Неправильно Правильно

Примечание: - направление возможного перемещения.

Пример 1. На прямом участке трубопровода в точках А и В установлены осевые

компенсаторы. Система получилась близкой к мгновенно изменяемой поскольку пере-

мещения точек А и В вдоль оси трубопровода (нижний рисунок) возможно без изменения

длины участка АВ. Для того чтобы система стала геометрически неизменяемой, необхо-

димо поставить неподвижную опору в точке С. Это – довольно распространеннная

ошибка в размещении осевых компенсаторов (см. раздел 3.3).

Пример 2.

В точках А и В сдвиговые компенсаторы, благодаря которым верхняя

часть П- образного элемента от точки А до точки В может перемещаться в горизонталь-

ном направлении (траектории показаны пунктиром) без изменения длин стержней. При

установке мертвой опоры в точке

С система превращается в геометрически неизменяе-

мую.

Пример 3. Неудачная комбинация из двух угловых (точки А, В) и одного сдвиго-

вого (точка С) компенсатора. При перемещении точки С вправо-влево точка В переме-

щается по дуге окружности с центром в точке А. При этом все стержни от точки А до

точки С могу перемещаться без изменения длины. Ситуация коренным образом меняет-

ся, если точку D неподвижно закрепить от линейных перемещений.

Пример 4. Три угловых компенсатора расположены на одной воображаемой пря-

мой. При такой компоновке точка В может перемещаться по касательной к дугам окруж-

ностей, описываемых из центров А и С. Перемещения возможны при отсутствии удлине-

ний в Г-образных элементах АВ и ВС. Правильное решение получено переносом углово-

го компенсатора на горизонтальное плечо.

Имеется ряд причин, затрудняющих проверку конструкции с подвижными соеди-

нениями на мгновенную изменяемость.

Классическая трактовка мгновенно изменяемой системы подразумевает, что все

подвижные соединения стержней обладают нулевой жесткостью (бесконечной податли-

востью). В действительности компенсаторы (угловые, осевые, сдвиговые) обладают, хо-

тя и малой по сравнению с тру

бопроводом, но конечной жесткостью. Понятно, что если

эту жесткость увеличивать, мгновенно изменяемая система может перейти в геометриче-

ски неизменяемую. Но как «нащупать» эту границу?

Подвижные опоры, установленные в точках между компенсаторами, нередко пре-

пятствуют свободным перемещениям, благодаря наличию трения (пример 1). Но влияние

трения может проявляться по-разному: от незначительного до весьма существенного.

Мгновенная изменяемость, обусловленная расположением угловых компенсаторов стро-

го на одной прямой (пример 4), встречается достаточно редко. Определить, насколько

реальные отклонения от этой прямой влияют на превращение мгновенно изменяемой

системы в геометрически неизменяемую затруднительно.

Фактически речь идет о системах, близких к мгновенно изменяемым. Формальных

приемов проверки таких систем на мгновенну

ю изменяемость сегодня не существует.

Результаты расчета трубопровода, у которого отельные фрагменты оказались

близкими к мгновенно изменяемым, могут внешне выглядеть вполне корректно. Тем не

менее, поскольку для таких систем методы строительной механики, реализованные в ПС

Старт непригодны, полагаться на достоверность таких результатов не стоит.

Рис. 22. Фрагмент схемы трубопроводной об-

вязки насосной

Признаком системы, близкой к мгновенно изменяемой, является резкое изменение

результатов расчета при небольших изменениях в расчетной модели. На рисунке 22 по-

казан характерный пример. Неразветвленный участок 530х8 мм от главного коллектора

1220х14 мм до патрубка насоса имеет три компенсатора: два угловых в точках a и b и

один сдвиговый в точке с.

Меняя податливость сдвигового компенсатора, получаем разную осевую нагрузку на

насос (таблица 4). Причем, изменение податливости в разы (операция с достаточно ма-

лыми величинами) приводит к резким изменениям нагрузки, вплоть до перемены ее на-

правления!

Таблица 4

Значения осевой нагрузки при разных значениях

податливости сдвигового компенсатора

Податливость на

сдвиг, мм/кгс

0,002 0,02 0,011

Осевая нагрузка на

патрубок насоса, кгс

- 136

+ 3,5

+ 384

Если возникло подозрение, что система или ее фрагмент может обладать мгновен-

ной изменяемостью, нужно изменить конструкцию так, чтобы она стала геометрически

неизменяемой. Примеры подобных решений приведены в таблице 3 в правом столбце.

6. «Стандартные» и «нестандартные» компенсаторы в ПС Старт

Введение понятий стандартных компенсаторов, вызвано необходимостью сокраще-

ния трудоемкости при задании исходных данных. В таблице 5 приводится их полный пе-

речень и характеристики работы.

Таблица 5

Работа стандартных компенсаторов

Компенсатор

осевой

Упругий осевой ползун. Обеспечивает линейное перемещение

трубопровода по оси соединяемых труб.

Компенсатор

угловой

Кратный упругий шарнир. Обеспечивает поворот соединяемых

концов труб без их кручения в плоскости поперечного сечения.

Компенсатор

сдвиговый

Кратный упругий осевой ползун. Обеспечивает линейное пере-

мещение трубопровода поперек оси соединяемых труб (сдвиг –

децентровку осей).

Компенсаторы, характеристики работы которых отличаются от приведенных в

таблице, относятся к категории нестандартных (в частности, к нестандартным относится

и универсальный компенсатор, схема работы которого была рассмотрена).

В таблице 6 даны их условные изображения в компьютерной модели трубопрово-

да и соответствующие пиктограммы в экранном меню.

Таблица 6

Условные изображения компенсаторов

Компенсатор угловой

Компенсатор осевой или стар-

товый

Компенсатор сдвиговый

Компенсатор нестандартный

8. Заключение

1. Работа любого компенсатора зависит от двух факторов

- конструкции самого компенсатора,

- конструкции трубопровода.

Например, конструкция сдвигового компенсатора обеспечивает сдвиг - децен-

тровку осей, но для того, чтобы он мог так работать, необходимо четко зафиксировать

возможные перемещения торцов соединяемых труб поперек оси, а это уже достигается

конструкцией трубопровода.

2. Нужно иметь в виду, что при определении деформаций компенсаторов началь-

ное состояние трубопровода в ПС Старт принимается не напряженным и не деформиро-

ванным. Для того чтобы смонтировать трубопровод так, чтобы в нем не было никаких

начальных напряжений, требуется специальная последовательность операций, которая на

практике выполняется далеко не всегда. Можно привести характерный пример, показан-

ный на рисунке 23. Трубопровод перекачки нефти имеет два насоса (один работающий,

второй резервный). Присоединения к патрубкам насосов в точках 7 и 14 моделируются

мертвыми опорами. Емкость, куда качается продукт, находится в точке 19. Для того, что-

бы учесть податливость ее стенки в месте примыкания трубопровода задано нестандарт-

ное крепление.

В виду того, что компенсирующая способность вдоль оси Y недостаточна, для

снижения нагрузок на насосы в непосредственной близости от них были установлены

осевые компенсаторы 1. Первоначально в конструкции трубопровода направляющие

опоры 2, фиксирующие возможные перемещения вдоль его оси, отсутствовали. Вместо

них стояли обычные скользящие опоры. По завершении монтажных работ проводились

испытания на плотность. В систему подали пробное давление, в результате чего трубо-

провод «уехал» на 60 мм вбок по оси Х, смяв при этом один из осевых компенсаторов.

Рис. 23. Схема трубопровода с осевыми компенсаторами

1 – осевой компенсатор, 2 – подвижная опора

Конечно, монтировать трубопроводы без перекосов сложно. Но в конструкции с

жестким соединением стержней обусловленные такими перекосами начальные напряже-

ния и деформации, как правило, не оказывают существенного влияния на ее дальнейшую

работу. Иное дело трубопроводы с подвижными сочленениями, жесткость которых мно-

го меньше примыкающих труб. Если конструкция трубопровода не обеспечивает чет-

кую фиксацию воспринимаемых ими перемещений, то несовершенства технологии мон-

тажа мог

ут сказаться самым пагубным образом. Это и проявилось в рассмотренном при-

мере – по-видимому, после завершения монтажных работ для того, чтобы скрыть дефек-

ты монтажа трубопровод принудительно выставили по проектным отметкам. После за-

мены скользящих опор на направляющие проблема работы осевых компенсато

ров была

решена.