Дискретное моделирование разъемного соединения секций трубопровода с вакуумной изоляцией для транспортировки криогенных продуктов
Длительно работающие трубопроводы для жидкого кислорода снабжают вакуумными видами изоляции. Трубопроводы с вакуумной изоляцией изготавливают в виде отдельных секций со своими вакуумными камерами. Для соединения секций трубопровода в конструкциях, где при разъеме возможно осевое перемещение, широко используется разъемное соединение, изображенное на рисунке 99. Оно позволяет свести к минимуму приток тепла по металлу на концах секции, поддерживая уплотнение при температуре окружающей среды.
Рисунок 99 – Конструктивная схема соединения
Проблема заключается в необходимости детального исследования напряженно-деформированного состояния конструкции соединения, обеспечивающей достаточную герметичность стыка. Использование аналитических методов не представляется возможным из-за сложности расчетной модели и характера нагружения конструкции.
Проектирование конструкции на современном уровне предусматривает использование численных методов исследования, среди которых наиболее развит метод конечных элементов [10–13].
Постановка задачи предусматривает исследование напряженно-деформированного состояния пространственной линейно-упругой конструкции разъемного соединения секций трубопровода, статически нагруженной силами внешнего атмосферного давления, силами от давления транспортируемого продукта и силами, возникающими от затяжки болтов фланцевого соединения.
При построении конечно-элементной модели использованы объемные элементы в форме призмы с треугольным основанием, пластинчатые элементов треугольной и четырехугольной формы с узлами в вершинах. Узел объемного элемента имеет 3 степени свободы: линейные перемещения вдоль осей глобальной системы координат. Каждый узел пластинчатого элемента имеет 3 линейные степени свободы вдоль трех осей локальной системы отсчета и 3 угловых степеней, соответствующих поворотам вокруг этих осей. Пластинчатый элемент испытывает суперпозицию плоского напряженного состояния и изгиба.
Конечные элементы, используемые для моделирования конструкции разъемного соединения трубопровода
Дискретная модель конструкции разъемного соединения состоит из 10176 объемных конечных элементов, 5730 пластинчатых элементов треугольной и прямоугольной формы. На рисунках 100–102 представлены конечно-элементные модели деталей конструкции разъемного соединения трубопровода. Наружная труба подвержена воздействию внешнего атмосферного давления, внутренняя труба нагружена давлением транспортируемого продукта 0.25МПа, усилие затяжки болтов фланцевого соединения 30КН.
Рисунок 100 – Наружная труба разъемного соединения
Рисунок 101 – Внутренняя труба разъемного соединения
Рисунок 102 – Болт фланцевого соединения (увеличено)
Осесимметричность нагрузки позволяет при создании модели исследовать половину конструкции разъемного соединения с учетом запрещения линейных перемещений узлов по нормали к плоскости симметрии и запрещения угловых степеней свободы узлов вокруг осей, лежащих в плоскости симметрии.
В результате проведенного дискретного моделирования получена картина напряженно-деформированного состояния конструкции разъемного соединения трубопровода (рисунках 103–105).
Максимальные напряжения возникают в местах контакта болтов с фланцами и достигают уровня 194 МПа. Наибольшие перемещения имеют узлы внутренней трубы, наиболее удаленные от фланцев (0.01мм). Эпюра распределения контактных сил во фланцевом соединении (рисунок 106) показывает, что имеет место частичное раскрытие стыка и необходимо предусматривать установку надежного уплотнения.
Рисунок 103 – Эпюры распределения напряжений во фланце
В результате математического моделирования напряженно-деформированного состояния пространственной конструкции разъемного соединения трубопровода для транспортирования криогенного продукта выявлены зоны концентрации напряжений в местах установки болтов на фланцах. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о достаточном запасе прочности конструкции разъемного соединения трубопровода с вакуумной изоляцией, в то же время необходимо предусмотреть надежную герметизацию стыка, так как имеются зоны частичного его раскрытия.
Рисунок 104 – Эпюры узловых перемещений во внешней трубе
Рисунок 105 – Эпюры узловых перемещений во внутренней трубе
Рисунок 106 – Эпюра распределения контактных сил во фланце