CC BY
4
7. Зверев В.А., Ломакин В.В., Чугунков В.В., Языков А.В. Методический аппарат для расчетного анализа прочности конструкций стартового комплекса ракет-носителей серии «Союз» // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2008. Спец, выпуск. С. 124-130.
8. ГОСТ Р 51282-99 Оборудование технологическое стартовых и технических комплексов ракетно-космических комплексов. Нормы проектирования и испытаний / Госстандарт России // Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта Российской Федерации от 21 мая 1999 г. № 172. М., 1999. 22 с.
Шаповалов Павел Викторович, научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Шевченко Артем Васильевич, канд. техн. наук, начальник отдела, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
THE METHOD OF COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE STRESS- STRAIN STATE OF THE LOAD-BEARING METAL STRUCTURES OF THE TECHNOLOGICAL EQUIPMENT OF THE LAUNCH COMPLEX
P.V. Shapovalov, A.V. Shevchenko
The article considers the stages of the developed methodology of computational and experimental evaluation of the stress-strain state of the load-bearing metal structures of the technological equipment of the launch complex. The results of mathematical modeling of their stress- strain state under the influence of regular and abnormal loads at various stages of operation with subsequent verification of the results with the data offull-scale modeling are prsented.
Key words: technological equipment, load-bearing metal structures, stress-strain state, strain gauge, finite element method.
Shapovalov Pavel Viktorovich, researcher, [email protected], Russia, St. Petersburg, A.F. Mozhaisky Military Space Academy,
Shevchenko Artem Vasilyevich, candidate of technical sciences, head of the department, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 620.172.21:621.64
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-426-427
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВАНТУЗА В ТРУБОПРОВОДАХ
РАЗЛИЧНОГО ТИПА
Ю.В. Щипкова
В работе проведен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния вантузов с «воротником» и без воротника. Параметры для расчета выбраны эквивалентно реальным трубопроводам. В результате анализа выявлено, что использование «воротника» снижает напряжение, следовательно, уменьшает возможность возникновения аварийной ситуации на трубопроводе.
Ключевые слова: вантуз, напряженно-деформированное состояние, накладка.
Методы ремонта труб в эксплуатирующих компаниях всегда регламентированы. В соответствии с технической документацией, с 2007 года запрещена установка на нефтепроводах заплат всех видов. Установленные ранее заплаты вварные и накладные в настоящее время являются дефектами и подлежат ремонту [1]. Однако, некоторые элементы трубопровода по напряженно-деформированному состоянию похожи на заплаты, яркий пример - вантуз с усиливающей накладкой [2].
Тема данной работы является актуальной, так как во избежание инцидентов, связанных с вантузами [3-5], необходимо определять их несущую способность.
Цель данной работы - сравнительный анализ несущей способности вантуза с усиливающей накладкой и вантуза в виде тройника.
Для достижения данной цели были выполнены следующие задачи:
- рассмотрены конструкции вантуза [6];
- смоделированы обе конструкции в программе ANSYS [7,8];
- произведен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния.
Для определения несущей способности вантуза обеих конструкций необходимо провести анализ напряженно-деформированного состояния.
Для исследования был выбран узел врезки вантуза в трубопровод, поскольку этот узел является самым опасным с точки зрения напряженно-деформированного состояния. В программе ANSYS была смоделирована конструкция вантуза с «воротником» (рис.1) и без него и определено их напряженно-деформированное состояние [9,10].
Исходные данные для построения представлены в табл. 1.
После построения геометрической модели объекта, необходимо было создать его конечно-элеметную модель, т.е. на область пространства, занимаемую объектом, была нанесена сетка из узлов и элементов (рис. 2).
Внутренняя полость находиться под воздействием избыточного давления. Величина избыточного давления равна 10 МПа (рис.3).
Граничные условия:
-ограничены перемещения по оси Oz обеих поверхностей (рис.4).
-для решения задачи, необходимо было зафиксировать точку, относительно которой будет производиться расчет, поэтому поверхность фланца зафиксирована жесткой заделкой (рис.5).
Таблица 1
Исходные данные для построения вантуза__
№ п/п Параметры Значение Ед. измерения
1 Наружный диаметр трубы 1220 мм
2 Толщина стенки трубы 14,8 мм
3 Диаметр усиливающего воротника 500 мм
4 Толщина воротника 15,2 мм
5 Диаметр патрубка 150 мм
6 Толщина стенки патрубка 10 мм
7 Внутреннее давление в трубопроводе 10 МПа
Рис. 1. Геометрическая модель вантуза Рис. 2. Конечно-элементная модель
с «воротником»
Рис. 3. Нагрузка давлением Рис. 4. Ограничение перемещений
С помощью программы произведен расчет напряженно-деформированного состояния. Мы видим, что напряжения концентрируются на трубе в районе врезки патрубка (рис.6).
Рис. 5. Жестка заделка фланца Рис. 6. Напряженно-деформированное состояние
вантуза с «воротником»
Величина максимального эквивалентного напряжения составила - 963МПа.
Так же смоделирована конструкция вантуза в виде тройника (рис.7). Исходные данные представлены ниже (табл.2).
Таблица 2
Исходные данные для проектирования вантуза в виде тройника_
№ п/п Параметры Значение Ед. измерения
1 Наружный диаметр трубы 1220 мм
2 Толщина стенки трубы 14,8 мм
3 Диаметр патрубка 150 мм
4 Толщина стенки патрубка 10 мм
5 Внутреннее давление в трубопроводе 10 МПа
Рис. 7. Геометрическая модель вантуза без «воротника» с нанесенной сеткой
У данной конструкции, как и у предыдущей, аналогичное нагружение и граничные условия. Анализ показал, что, как и в первой конструкции, наибольшие эквивалентные напряжения возникают в области врезки патрубка в трубопровод (рис.8).
Рис 8. Напряженно-деформированное состояние вантуза без «воротника»
Величина максимального напряжения - 1146 МПа.
Под действием внутреннего давления, в размере 10 МПа, наибольшие эквивалентные напряжения в обеих конструкциях возникают в области врезки отвода: 963 МПа в вантузе с «воротником» и 1146 МПа в тройниковом вантузе.
На основе сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния обеих конструкций, были сделаны следующие выводы:
- во всех случаях концентрация напряжений возникает на трубе в области врезки патрубка;
- эквивалентные напряжения больше у конструкции без усиливающей накладки;
- несущая способность у конструкции вантуза с «воротником» выше, чем у конструкции без усиливающей накладки.
- для повышения несущей способности вантуза в виде тройника необходимо увеличить толщину стенки.
Список литературы
1. РД 153-39.4-130-2002 Регламент по вырезке и врезке «катушек» соединительных деталей, заглушек запорной и регулирующей арматуры и подключение участков магистральных нефтепроводов. М.:2003.
2. Гумеров А.К., Шмаков А.К., Хайрутдинов Ф.Ш, Механизмы разрушения магистральных трубопроводов с приварными элементами // Нефтегазовое дело, 2007. №1.
3. Александров С.В. Анализ причин аварий на промысловых нефтепроводах //Новое научное поколение. 2020. С. 103-107.
4. Воробьев К.А. Предотвращение чрезвычайных ситуаций на магистральных нефтепроводах // Синергия Наук. 2021. №. 58. С. 252-265.
5. Причины и механизмы разрушения вантузного узла магистрального трубопровода / К. Б. Пуликовский, К. М Гумеров, Р. С. Гумеров, В. А. Шмаков // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2007. № 1(67). С. 52-58. EDN JUILAV.
6. ГОСТ 59724-2021. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Конструкции ремонтные. Общие технические условия: издание официальное: утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 06 октября 2021 г. № 1075-ст. М.: ООО «НИИ Транснефть», 2021. 26 с.
7. Хасанов Р.Р. Расчет напряженно-деформированного состояния тройников штампосварных (ТШС) // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2010. №. 2. С. 64-64.
8. Камерштейн А.Г., Рождественский В.В., Ручимский М.Н. Расчёт трубопроводов на прочность: справочная книга. 2-е изд., испр. и доп. М.: Недра, 1969.
9. Ansys H. et al. Ansys //Inc.: Canonsburg, PA, USA. 2018.
10. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования // Нижний Новгород. 2006. С. 9-32.
Щипкова Юлия Владимировна, старший преподаватель, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет
DEFINITION OF VANTUZE STRESS-DEFORMED STATUS IN PIPELINES OF DIFFERENT TYPES
Yu.V. Shchipkova
The paper presents a comparative analysis of the stress-strain state ofplungers with a "collar" and without a collar. The parameters for the calculation are chosen equivalent to real pipelines. As a result of the analysis, it was revealed that the use of the "collar" reduces the voltage, therefore, reduces the possibility of an emergency situation on the pipeline.
Key words: plunger, stress-strain state, pad.
Shchipkova Yulia Vladimirovna, senior lecturer, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical
University
УДК 621.512
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-429-430
ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ СЖАТИЯ ГАЗОВ ДО СРЕДНЕГО И ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
С.С. Бусаров, А.В. Недовенчаный, Ю.Д. Бусарова
Исследования связанные с повышение эффективности любого вида техники всегда являются актуальными. В статье рассмотрено перспектива создания нового типа энергоэффективных компрессоров, позволяющих получать среднее и высокое давление газа в одной ступени сжатия и являющееся альтернативной конструкцией для многоступенчатых поршневых и мембранных компрессоров. Полученные результаты позволили создать образ -по заданным ключевым параметрам, которыми должна обладать конструкция перспективного компрессора для реализации отношения давления нагнетания к давлению всасывания более 50.
Ключевые слова: длинноходовой поршневой компрессор, рабочие процессы, температура нагнетания, коэффициент подачи, среднее и высокое давление.
Одним из перспективных направлений в компрессоростроении является использование поршневых самосмазывающихся уплотнений [1], обеспечивающих обязательные требования по технике безопасности и чистоте газа в ряде отраслей промышленности [2].
Известна потребность в создании малорасходных компрессорных агрегатов высокого давления (то есть давления нагнетания более 10,0 МПа) [3,4] на базе несмазываемых компрессорных ступеней, например для целей «водородной энергетики» и автономных условий эксплуатации с высоким ресурсом.
Современные конструкции компрессоров позволяют получать в одноступенчатых машинах сжатый газ c давлением 2,0...3,0 МПа [5, 6], а в некоторых перспективных конструкциях - до 10,0...12,0 МПа при существенном снижении эффективности рабочего процесса [7, 8]. Проблема получения более высоких давлений сжатого газа в одноступенчатых машинах связана с двумя основными причинами - это повышение температуры газа при сжатии и наличие мертвого объёма. Существует ещё ряд проблем при использовании одноступенчатых машин это повышенные затраты работы на сжатие газа, увеличение поршневых усилий, снижение КПД, рост массогабаритных параметров агрегатов и др.
Таким образом, обеспечение интенсивного теплоотвода от сжимаемого газа, минимизация мертвого объёма и решение вопроса по герметичности рабочей камеры предположительно могут позволить получить среднее и высокое давление газа в одноступенчатых машинах.
Рассмотрим основные проблемы, ограничивающие возможность достижения высоких давлений в одной компрессорной ступени сжатия (причины их возникновения и методы борьбы с ними).
Повышение температуры газа. Как известно, процесс сжатия газа сопровождается ростом температуры. Если рассматривать сжатие газа как адиабатный процесс, что верно для большинства быстроходных компрессоров [9-11], то получение, например, давления нагнетаемого воздуха 10,0 МПа (при сжатии от атмосферного давления) приведёт к повышению температуры с 293 К до недопустимо высокой температуры порядка 1000К. Существующие материалы в принципе работоспособны при таких температурах, если говорить о металлических материалах. Однако
