Расчеты на сопротивление хрупкому разрушению корпусных деталей шиберной задвижки

О проекте

  • Расчеты на сопротивление хрупкому разрушению корпусных деталей шиберной задвижки
  • ЗАО «НПФ «ЦКБА»
  • Прочность
  • 2010 год

Расчеты на сопротивление хрупкому разрушению корпусных деталей шиберной задвижки

ЗАО «НПФ «ЦКБА» (Научно-производственная фирма «Центральное конструкторское бюро арматуростроения») – ведущая арматуростроительная инжиниринговая компания, реализующая полный цикл работ от научных исследований, стандартизации, проектирования до комплектной поставки трубопроводной арматуры на объекты любой сложности, с обеспечением сервисного обслуживания на всем протяжении жизненного цикла оборудования. С 1945 года ЦКБА создано большое количество трубопроводной арматуры для различных отраслей: арматура для первой в СССР АЭС, первого атомного ледокола, энергетических установок атомных подводных лодок; для объектов добычи нефти и газа, горнообогатительных комбинатов и пр., для работы с высококоррозионными, взрывопожароопасными, токсичными средами.

ЦКБА осуществляет проектирование множества видов трубопроводной арматуры с различными видами приводов: запорной, регулирующей, предохранительной, защитной, криогенной трубопроводной арматуры, арматуры систем вентиляции и др.

В 2010 году «НПФ «ЦКБА» обратилась к компании «МЦД» с целью проведения научно-исследовательской работы по решению с использованием программного комплекса Ansys задач сопротивления хрупкому разрушению корпусных деталей штампосварной шиберной задвижки DN 1200, PN 8МПа, в режиме пневматических испытаний при температуре окружающей среды минус 40 оС.

Расчет проводился без учета температурных деформаций. Исследовались корпусные детали задвижки, находящейся под действием внутреннего давления пневматических испытаний и нагрузок от присоединенных трубопроводов. Твердотельные и конечно-элементные модели корпуса и крышки в отсутствие трещины, данные о величинах внутреннего давления пневматических испытаний и нагрузок от трубопроводов были предоставлены ЗАО «НПФ «ЦКБА».

Предполалось, что в сварных швах корпусных деталей шиберной задвижки возможны исходные трещины. Трещина предполагалась полуэллиптической формы с отношением ее глубины к половине ее длины 1/3. В соответствии с Техническим заданием предполагалось наличие трещин в сварных швах в следующих областях: в зоне присоединения патрубка к катушке, перпендикулярно оси патрубка. И в зоне приварки внутреннего ребра к средней части корпуса задвижки (нижний край).

Для каждой из рассматриваемых геометрий трещин необходимо было определить напряженно-деформированное состояние корпусных деталей, содержащих указанные исходные трещины, и коэффициенты интенсивности напряжений, которые позволили бы сделать вывод о возможности хрупкого разрушения шиберной задвижки при наличии трещины данной длины и при данных приложенных нагрузках.

Общий вид рассматриваемой задвижки
Рис.1 Общий вид рассматриваемой задвижки

Расчет выполнялся в статической постановке на основные нагрузки: давление пневматических испытаний и момент от присоединенного трубопровода.

Расчет выполнялся на сопротивление хрупкому разрушению:

  • корпуса задвижки при наличии поверхностной полуэллиптической трещины длины = 3,5 мм, глубины = 0,6 мм, расположенной в зоне присоединения катушки к патрубку (зона 1);
  • корпуса задвижки при наличии поверхностной полуэллиптической трещины длины = 6,7 мм, глубины = 1,1 мм, расположенной в области приварки внутреннего ребра к корпусу задвижки (зона 2);
  • крышки задвижки при наличии поверхностной полуэллиптической трещины длины = 5,5 мм, глубины = 0,9 мм, расположенной зоне приварки фланца (зона 4);
  • крышки задвижки при наличии поверхностной полуэллиптической трещины длины = 16,5 мм, глубины = 0,9 мм, расположенной зоне приварки центральной части крышки. В данной зоне моделировалось возможное слияние двух рядом расположенных трещин, поэтому рассматриваемая длина трещины увеличена в 3 раза (зона 5);
Поле напряжений σINT, Па. Исследуемые зоны 1, 2 и 3 отмечены черными квадратами
Рис.2. Поле напряжений σINT, Па. Исследуемые зоны 1, 2 и 3 отмечены черными квадратами

Приложенными нагрузками являлись:

  • для корпуса задвижки: внутреннее давление и момент от присоединенных трубопроводом;
  • для крышки задвижки: внутреннее давление и усилие от действия привода, направленное вверх или усилие от действия привода, направленное вниз.

В ходе работы было сделано следующее:

  • рассчитано напряженно-деформированное состояние корпуса задвижки и крышки задвижки в отсутствии трещины от действия приложенных нагрузок. Выявлены зоны концентрации напряжений, в которых наиболее опасно появление трещины;
  • представлена методика определения коэффициентов интенсивности напряжений применительно к программному комплексу Ansys;
  • определены значения коэффициентов интенсивности напряжений при наличии трещин в следующих четырех зонах:
    • в зоне присоединения катушки к патрубку (зона 1),
    • в зоне приварки внутреннего ребра к корпусу задвижки (зона 2),
    • в зоне приварки фланца (зона 4),
    • в зоне приварки центральной части крышки задвижки (зона 5).

Для каждой из рассмотренных расположений трещин рассчитаны значения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) по всему фронту трещины. Далее эти рассчитанные значения КИН сравнивались с допускаемыми нормами ПНАЭГ-7-002-86 значениями КИН, и делался вывод о возможности разрушения корпусных деталей задвижки от действия приложенных нагрузок при наличии трещины в указанных зонах соответствующих размеров.

Установлено:

  • максимальное значение KI, соответствующее наличию трещины указанной геометрии при приложенных нагрузках в зоне присоединения катушки к патрубку (зона 1);
  • максимальное значение KI, соответствующее наличию трещины указанной геометрии при приложенных нагрузках в зоне приварки внутреннего ребра к корпусу задвижки (зона 2);
  • максимальное значение KI, соответствующее наличию трещины указанной геометрии при приложенных нагрузках в зоне приварки фланца (зона 4);
  • Максимальное значение KI, соответствующее наличию трещины указанной геометрии при приложенных в зоне приварки центральной части крышки (зона 5) при приложенных нагрузках;

В результате определено, что силовой критерий хрупкой прочности KI ≤[KI] для зон 1,4 и 5 выполняется, и можно сделать вывод, что наличие трещин в зонах 1,4 и 5 с указанными параметрами и при указанных нагрузках не приведет к разрушению корпусных деталей шиберной задвижки DN 1200 по механизму хрупкого разрушения.

В зоне 2 силовой критерий хрупкой прочности не выполняется по всему фронту трещины для условий эксплуатации при -40оС. Значения КИН по всему фронту трещины за исключением вершин превышают допустимое значение КИН для условий эксплуатации при -40оС. Поэтому требуется модификация конструкции с целью усиления этой области.

Рис.3. Модифицированная конструкция, красным цветом отмечено предлагаемое усиление

В рамках текущей конфигурации в зоне 2 значение КИН для фронта трещины за исключением только вершин находится в диапазоне допустимого значения для данного уровня КИН, однако, значение в вершинах все равно будет превышать допустимое.

Специалистами «МЦД» был предложен один из возможных вариантов усиления конструкции, который позволил бы разгрузить область приварки внутреннего ребра к корпусу задвижки путем увеличения площади контакта ребра и корпуса.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00