Изчисляване на U-образни компенсатори
Опит в използването на U-образни компенсатори за компенсиране на топлинни разширения в отоплителни мрежи и електроцентрали. Метод за изчисляване на компенсационните напрежения на тръбопроводната секция DU-800 с U-образен компенсатор с помощта на софтуерния пакет MSC/Nastran.
Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу
Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.
Публикувано наhttp://www.allbest.ru/
ръце проектантска група на Уст-Илимская ТЕЦ
За компенсиране на топлинните разширения U-образните компенсатори се използват най-широко в топлофикационни мрежи и електроцентрали. Въпреки многобройните си недостатъци, сред които са: относително големи размери (необходимостта от компенсаторни ниши в отоплителни системи с канално уплътнение), значителни хидравлични загуби (в сравнение със салникова кутия и маншон); U-образните компенсатори имат редица предимства.
От предимствата може преди всичко да се откроят простотата и надеждността. Освен това този тип компенсатори е най-добре проучен и описан в учебно-методическата и справочна литература. Въпреки това често е трудно за младите инженери, които нямат специализирани програми, да изчислят компенсаторите. Това се дължи преди всичко на доста сложна теория, наличието на голям брой корекционни коефициенти и, за съжаление, наличието на печатни грешки и неточности в някои източници.
По-долу е даден подробен анализ на процедурата за изчисляване на U-образния компенсатор според два основни източника [2], [4], чиято цел е да идентифицира възможни печатни грешки и неточности икакто и сравнение на резултатите.
където:U- потенциална енергия на деформация на компенсатора,Е- модул на еластичност на материала на тръбата,J- аксиален инерционен момент на сечението на компенсатора (тръбата),
където:s- дебелина на стената на клона,
M- момент на огъване в секцията на компенсатора. Тук (от условието за равновесие, фиг. 1 а)):
L- пълна дължина на компенсатора,Jx- аксиален инерционен момент на компенсатора,Jxy- центробежен инерционен момент на компенсатора,Sx- статичен момент на компенсатора.
За да се опрости решението, координатните оси се прехвърлят към еластичния център на тежестта (нови осиXs,Ys), след което:
От (1) получаваме силата на еластичния отскокPx:
Изместването може да се тълкува като компенсираща способност на компенсатора:
където:bt- коефициент на линейно термично разширение, (1.2x10 -5 1/deg за въглеродни стомани);
tн- начална температура (средна температура от най-студения петдневен период за последните 20 години);
tк- крайна температура (максимална температура на топлоносителя);
Lac- дължина на компенсирания участък.
Анализирайки формула (3), можем да заключим, че най-голяма трудност представлява определянето на инерционния моментJxs, особено след като първо е необходимо да се определи центърът на тежестта на компенсатора (сys). Авторът [3] основателно предлага използването на приблизителен, графичен метод за определяне наJxs, като същевременно се вземе предвид (Карман) коефициентът на коравинаk:
Първият интеграл се определя по отношение на остаy, вторият по отношение на остаys(фиг.1). оскомпенсаторът се чертае на милиметрова хартия в мащаб. Цялата извита ос на компенсатораLе разделена на набор от сегментиДsi. Разстоянието от центъра на сегмента до остаyiсе измерва с линийка.
Коефициентът на твърдост (Karman) е предназначен да отразява експериментално доказания ефект от локалното сплескване на напречното сечение на завои по време на огъване, което увеличава тяхната компенсираща способност. В нормативния документ [4] коефициентът на Карман се определя по емпирични формули, различни от дадените в [2], [3]. Коефициентът на коравинаkсе използва за определяне на намалената дължинаLprDна дъговия елемент, който винаги е по-голям от действителната му дължинаlr. В източника [2] коефициентът на Карман за огънати завои:
където: l - характеристика на огъване.
Тук:R- радиус на прибиране.
където:b- ъгъл на прибиране (в градуси).
За заварени и късо извити щамповани завои източникът [2] предлага използването на други зависимости за определяне наk:
където:h- характеристика на огъване за заварени и щамповани завои.
Тук: Re е еквивалентният радиус на завареното коляно.
За клонове от три и четири сектора b = 15 градуса, за правоъгълен двусекторен клон се предлага да се вземе b = 11 градуса.
Трябва да се отбележи, че в [2], [3] коефициентътk? 1.
Нормативен документ RD 10-400-01 [4] предвижда следната процедура за определяне на коефициента на гъвкавостKр*:
къдетоКр- коефициент на гъвкавост, без да се отчита ограничението за деформация на краищата на огънатия участък на тръбопровода; o - коефициент, отчитащ ограничението на деформация в краищата на извитото сечение.
Освен това, ако , тогава коефициентътгъвкавостта се приема равна на 1,0.
СтойносттаKpсе определя по формулата:
ТукP- свръхвътрешно налягане, MPa;Et- модул на еластичност на материала при работна температура, MPa.
Може да се докаже, че съгласно [4] коефициентът на гъвкавостКр*ще бъде по-голям от единица, следователно, когато се определя намалената дължина на крана съгласно (7), е необходимо да се вземе неговата реципрочна стойност.
За сравнение, нека определим гъвкавостта на някои стандартни завои съгласно OST 34-42-699-85, при свръхналяганеP=2,2 MPa и модулEt=2x 10 5 MPa. Резултатите са обобщени в таблицата по-долу (Таблица № 1).
Коефициент на Карман (според [2])
Коефициент на твърдост съгласно [4], (реципрочна стойност -1/Kp*)
Анализирайки получените резултати, можем да заключим, че процедурата за определяне на коефициента на гъвкавост съгласно RD 10-400-01 [4] дава по-строг резултат (по-малка гъвкавост на огъване), като същевременно допълнително отчита излишното налягане в тръбопровода и модула на еластичност на материала.
Инерционният момент на U-образния компенсатор (фиг.1 b)) спрямо новата осysJxsсе определя както следва [2]:
където:Lpr- намалена дължина на оста на компенсатора,
ys- координата на центъра на тежестта на компенсатора:
Максимален момент на огъванеMmax(действащ в горната част на компенсатора):
къдетоН- надвес на компенсатора, съгласно фиг. 1б):
Максималното напрежение в участъка на стената на тръбата се определя по формулата:
където:m1- коефициент на корекция (коефициент на безопасност), отчитащ нарастването на напреженията върху огънатите сечения.
- за огънати завои, (17)
- за заварени завои. (18)
W- момент на съпротивление на секцията на клона:
- допустимо напрежение (160 MPa за компенсатори от стомани 10G 2S, St 3sp; 120 MPa за стомани 10, 20, St 2sp).
Бих искал веднага да отбележа, че коефициентът на безопасност (корекция) е доста висок и расте с увеличаване на диаметъра на тръбопровода. Например за коляно 90° - 159x6 OST 34-42-699-85m1? 2.6; за ъгъл 90° - 630x12 OST 34-42-699-85m1= 4.125.
Фиг.2. Изчислителна схема на компенсатора съгласно RD 10-400-01.
В ръководния документ [4] изчисляването на сечението с U-образен компенсатор, вижте фиг. 2, се извършва съгласно итеративната процедура:
Тук се задават разстоянията от оста на компенсатора до неподвижните опориL1 иL2 обратноBи надвесаН. от двойка стойности се взема най-голямата =l2. След това се определя необходимото разширение на компенсатораH:
Уравненията представляват геометрични компоненти, вижте Фиг. 2:
Компоненти на силите на еластично отблъскване, 1/m2:
- моменти на инерция спрямо централните оси x, y.
Параметър на якостA, m:
[us] - допустимо компенсационно напрежение,
Допустимото компенсационно напрежение [usc] за тръбопроводи, разположени в хоризонтална равнина, се определя по формулата:
за тръбопроводи, разположени във вертикална равнина по формулата:
където: - номинално допустимо напрежение при работна температура (за стомана 10G 2S - 165 MPa при 100 °? t? 200 °, за стомана 20 - 140 MPa при 100 °? t? 200 °).
D- вътрешен диаметър,
Следователно, за да се коригира процедурата за определяне на геометричните характеристики съгласно (25) и (30), е необходимо да се използва обратнатастойностKp*:
В конструктивната схема на фиг. 2 опорите на компенсатора са фиксирани ("кръстовете" обикновено означават неподвижни опори (GOST 21.205-93)). Това може да премести "таймера" за отчитане на разстояниятаL1, L2от фиксираните опори, тоест да вземе предвид дължината на цялата компенсационна секция. На практика страничните движения на плъзгащите се (подвижни) опори на съседен тръбопроводен участък често са ограничени; разстояниятаL1, L2трябва да се броят от тези подвижни, но ограничени в напречно движение опори. Ако напречните движения на тръбопровода по цялата дължина от неподвижната към неподвижната опора не са ограничени, съществува опасност участъците на тръбопровода, които са най-близо до компенсатора, да излязат от опорите. За илюстрация на този факт на фиг.3 са показани резултатите от изчислението за температурна компенсация на участък от магистрален тръбопровод Ду 800 от стомана 17G 2S с дължина 200 m, температурна разлика от - 46 ° C до 180 ° C в програмата MSC Nastran. Максималното напречно движение на централната точка на компенсатора е 1,645 м. Допълнителна опасност от падане от опорите на тръбопровода е и възможен хидроудар. Следователно, решението относно дължинитеL1, L2трябва да се вземе с повишено внимание.
Фиг.3. Резултати от изчисляване на компенсационното напрежение на тръбопроводна секция Du 800 с U-образен компенсатор от софтуерния пакет MSC/Nastran (MPa).
Произходът на първото уравнение в (20) не е напълно ясен. Освен това по отношение на размерите не е правилно. Наистина, в скоби под знака на модула се добавят стойноститеPх[1/m 2 ] иPy(l4+…) [1/m].
Коректността на второто уравнение в (20) може да се докаже, както следва:
за да е необходимо,да се:
Това е вярно, ако поставим
За практически изчисления бих използвал второто уравнение в (20) в по-позната и удобна форма:
Очевидните предимства на техниката [4] в сравнение с [2] са нейната голяма универсалност. Компенсаторът на фиг. 2 може да бъде асиметричен; нормативността позволява да се извършват изчисления на компенсатори не само за отоплителни мрежи, но и за критични тръбопроводи с високо налягане, които са в регистъра на RosTechNadzor.
Нека направим сравнителен анализ на резултатите от изчисляването на U-образни компенсатори по методите [2], [4]. Нека зададем следните начални данни:
а) за всички компенсатори: материал - стомана 20; Р=2,0 MPa;Et=2х 10 5 MPa; t=200°; натоварване - предварително разтягане; огънати завои съгласно OST 34-42-699-85; компенсаторите са разположени хоризонтално, от тръби с козина. обработка;
б) изчислителна схема с геометрични означения съгласно фиг. 4;
Фиг.4. Изчислителна схема за сравнителен анализ.
в) ще обобщим стандартните размери на компенсаторите в таблица № 2 заедно с резултатите от изчисленията.
Колена и тръби на компенсатора, ДнЧ с, мм