А. Б. Паймухин, И. А. Спиридонов, П. В. Бурков

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия

Исследование влияний температурных удлинений на участок трубопровода с П-образным компенсатором

Все трубопроводы при изменении температуры транспортируемого продукта и окружающей среды подвержены температурным деформациям. В результате этих деформаций в системе возникают значительные продольные усилия, оказывающие давление на конечные закрепленные точки.

Для защиты трубопровода от нагрузок, его проектируют и конструктивно, чтобы он имел возможность свободно удлиняться при нагревании и укорачиваться при охлаждении без перенапряжения материала и соединений труб. Способность трубопровода к подобной деформации без последствий называется компенсацией тепловых удлинений. По конструкции и принципу работы компенсаторы делятся на четыре группы: П-образные, линзовые, сальниковые и сильфонные [1]. Моделирование температурного состояния любого элемента линейной части трубопровода невозможно без современного и автоматизированного подхода. Так, на примере моделирования состояния участка трубопровода с п-образным компенсатором, рассмотрим применение программного обеспечения ANSYS.

Необходимые значения нагрузок для моделирования возьмем данные со СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы, таблица 1 [2, 3].

Таблица 1

Общие параметры и характеристика материала трубопровода

Диаметр наружный, D:	325 мм
Толщина стенки, δ	8 мм
Длина трубопровода, L	110 м
Рабочее давление, P	3 Мпа

Сталь 13ХФА - предел прочности (σ_пр) 502 Мпа; предел текучести, (σ_тек) 353Мпа; температура окружающей среды (t) -20⁰; температура монтажа -5⁰.

Расчет производился с помощью трехмерного моделирования. Порядок моделирования в CAE - среде ANSYS Workbench состоит из следующих этапов [4]: построение модели; задание свойств материала; построение стенки трубопровода и сетки; приложение нагрузок; запуск на счет и анализ полученных результатов.

Первый этап самый долгий. Он включает определение типов конечных элементов, их констант, свойств материала и геометрии модели в среде ANSYS Workbench (Toolbox-> Analysis systems->Static Structural). Следующий этап задание свойств материала. В данной задаче задается изотропный материал с постоянными свойствами: Engineering Data-> Outline Pane ->Material>Structural steel). Этап построения стенки трубы несложен: XZPlane:Geometry->Sketching->Draw-> Circle, вводим размеры эскиза через вкладку Dimensions. Профиль, соответствующий сечению трубы, построен. При помощи операции выдавливание строим необходимую геометрию трубы: Geometry->Sketching->Extrude. Далее строим сетку. Цель сетки найти отклик системы на заданное внешнее воздействие (Project Shematic->Model->Mesh->Previer Surface->Mesh Generate). Далее этап задания нагрузок. Под нагрузками понимаются внешние и внутренние усилия, и граничные условия в виде ограничений на перемещения. Последним этапом является запуск на счет. По команде SOLVE программа обращается за информацией о модели и нагрузках к базе данных и выполняет вычисления. Результаты записываются в специальный файл и в базу данных [4].

Из полученных расчетов видно, что применение п-образного компенсатора позволило снизить максимальные напряжения в заделках с 130,81 МПа до 50,11 Мпа, и среднее значение напряжения c 96,14 до 16,5 тем самым повысив надёжность участка трубопровода (рис. 1).

В результате проектирования получились следующие результаты (рис.1)

прямой участок	участок с п-образным компенсатором
поле распределений эквивалентных дефомаций
графики распределения напряжений
график распределения деформаций

Рисунок 1. Результаты расчета

Сделав дополнительно проверку на предотвращение недопустимых пластических деформаций [5], делаем вывод, что данный трубопровод удовлетворяет условиям:

Значения попадают в интервал и удовлетворяют условиям. Применение программного продукта Ansys целесообразно.

Литература:

1.Официальный сайт промышленной компании «Империя» [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://pk-imperia.ru - свободный

2. СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы

3.СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия

4.Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справ.пособие. –М.: Машиностроение 1, 2004.-512с.