CC BY
2
УДК 514.18:744(072)
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-524-525
РАЗРАБОТКА МОДЕРНИЗИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
С.В. Кузякова, Н.В. Степнов
В представленной статье рассмотрено сварное оборудование, центратор и его виды, общие принципы сварки трубопроводов, проведено проектирование, моделирование и прочностной расчёт навесной конструкции для модернизации рассматриваемого оборудования.
Ключевые слова: труба, сварка, центраторы, модернизированное устройство, прочностные характеристики.
Без надежной фиксации труб при стыковке невозможно получить качественное и долговечное соединение, даже если сварочные работы проводятся высококлассным рабочим. Процесс ручной установки и фиксации труб в нужном положении занимает значительное количество времени, зачастую больше, чем непосредственно наложение сварочного шва. Поэтому при монтаже трубопроводов различных назначений применяют специализированное оборудование — центраторы для сварки. Именно они значительно упрощают и ускоряют процесс соединения труб, повышая его эффективность и качество.
Центратор — это специализированное устройство, которое используется для точного и центрированного соединения труб. Без использования этих приспособлений прокладка трубопроводов разного назначения становится крайне трудоемкой и менее надежной. В зависимости от конструктивных особенностей и диаметра труб, центрирующие устройства могут применяться для стыковки труб диаметром от 25 до 2000 мм. Основой конструкции любого центратора является его тело, к которому могут быть присоединены подставка или крюк, а также набор зажимных элементов. Количество этих зажимных элементов можно изменять в зависимости от диаметра соединяемых частей, что делает центратор универсальным инструментом для различных задач.
Оборудование крепится на трубопровод с одной или обеих сторон стыка и закрепляется с помощью натяжного механизма. Это обеспечивает плотное соединение торцов труб, что является критическим для формирования качественного сварного шва. В зависимости от места установки центраторы подразделяются на две категории: внутренние и наружные типы. Внутренние центраторы устанавливаются внутри трубы, а наружные фиксируются снаружи. По конструкции центраторы далее делятся на устройства, предназначенные для стыковки прямолинейных участков трубопровода или для соединения труб под углом.
В зависимости от числа точек крепления на трубопроводе центраторы могут быть одно- или двухсторонними. Односторонние механизмы применяются для монтажа трубопроводов небольшого диаметра. Они достаточно компактны и легко устанавливаются, обеспечивая необходимую фиксацию. Двухсторонние центраторы ставят на обеих сторонах стыка и они, как правило, применяются при работе с трубами диаметром свыше 600 мм. Такие устройства обеспечивают более равномерное распределение усилий и надежную фиксацию больших труб, что является необходимым условием для получения качественного сварного соединения в крупных трубопроводах. Центратор помогает гарантировать, что сварное соединение не имеет зазоров или утечек, что обеспечивает прочное и надежное соединение. Это также помогает сократить время и трудозатраты, связанные со сваркой полиэтиленовых труб [1-6].
Рис. 1. Общий вид наружного центратора
В данной статье была произведена модернизация наружного центратора для сварки полимерных труб (рис.1) с целью создания новой конструкции, позволяющей проводить дополнительные испытания на растяжение образцов со сварными швами. Новизна заключается в том, чтобы создать дополнительную навесную конструкцию на имеющееся оборудование, учитывая особенность работы гидроцилиндров аппарата. При проектировании рабочей навесной конструкции, также учитываются особенности работы аппарата, ход движения и положение хомутов центратора.
1 - опорная пластина; 2 - направляющие пластины; 3,4 - пластина; 5 - косынка
вторая часть конструкции: 1 - опорная пластина; 2 - направляющие пластины; 3 - косынка; 4 - пластина Рис. 2 Элементы навесной конструкции
Конструкция состоит из двух частей, каждая из которых отвечает за зажим одного из концов испытуемого образца.
Первая часть конструкции состоит из нескольких сваренных пластин (Рис.2, а). Опорная пластина 1 толщиной листовой заготовки 10 мм с отверстиями диаметром 14 мм. С отверстиями в заводских хомутах и вкладышах для закрепления и фиксации данной части конструкции на болтах М8 болтах М12. Направляющие пластины 2 имеют достаточную длину для выноса пластин 3 для закрепления одного из концов испытуемого образца и привариваются к пластине 1. Детали позиции 3 расположены параллельно, центрируясь по отверстию, отвечают за крепёж одного из концов испытуемого образца штифтом. Также конструкция слегка усилена косынками для придания жесткости 5. Пластины 4 предназначены для дополнительной фиксации и центровке конструкции на оборудовании. Толщина всех частей конструкции - 10 мм.
Вторая часть конструкции (Рис. 2, б), аналогично первой, крепится на болты М12 через 14 мм отверстия в пластине 1. На неё также, центрируясь по отверстиям, приварены внахлёст планки 2 тавровым двухсторонним швом позиция 4, а косынки 3 способствуют общему укреплению конструкции. Обе части конструкции не соединяются и не соприкасаются друг с другом, так что их положение друг относительно друг друга будет выглядеть следующим образом (Рис.3).
Модернизированный наружный центратор с навесной конструкцией имеет следующий вид (Рис. 4) и работает следующим образом:
- образец сварного шва 1, крепится штифтами к навесной конструкции 2 и неподвижному кольцу центратора 3;
- под действием гидроцилиндров подвижное кольцо центратора 4 перемещается к неподвижному кольцу центратора 3 и создает растяжение образца.
Вид образца сварного шва и порядок проведения испытаний проводится на основании ГОСТ 11262-80
При оценке работоспособности навесной конструкции необходимо оценить максимальное растягивающее усилие, создаваемое центратором, прочностные характеристики, осуществить подбор материала и выбор размеров.
Максимальное растягивающее усилие, действующее на конструкцию, определяется по формуле [8]:
Ртах = Р'к-Агц (1)
где Гшах - максимальная растягивающая сила всей конструкции, Н; Р - максимальное давление, обеспечиваемое гидроцилиндрами, Н/см2; Агц - поперечное сечение гидроцилиндра, см2; к - количество гидроцилиндров.
Рис. 3. Общий вид навесной конструкции
Рис. 4. Модернизированный наружный центратор с навесной конструкцией
Согласно паспорту на наружный центратор [9], максимальное растягивающее усилие будет равно:
Ртах = 1600 • 2 • 17.3 = 55360Я При оценке прочностных характеристик заменяем навесную конструкцию расчетной схемой (Рис.5). Разбиваем пластину на отдельные участки, используем метод сечений и строим эпюры нормальных сил и напряжений.
Рта
//
1.07А
N
а
7571
Гто
Г та
0.934
Гто
А
Рис. 5. Расчетная схема пластины навесной конструкции
Анализ эпюр показал, что нормальные силы действуют одинаково на каждом из участков и соответствуют максимальному растягивающему усилию. Максимальное напряжение возникает на первом участке и определяется по формуле:
а = (5)
итах А ■>
где 0тах - максимальное напряжение, МПа; Ета* - максимальная растягивающая сила всей конструкции, Н; А - площадь поперечного сечения, мм2.
Выбор размеров пластины навесной конструкции определяем из условия прочности [10], рассматривая предельный случай:
°тах = [О-], (6)
где [а] - допускаемое напряжение растяжения, МПа.
Для пластин, изготовленных из стали [10] [а] = 200 МПа. Минимальное поперечное сечение пластины будет:
= 276.8мм2
(7)
(8)
т1п [а] 200
Размеры пластины навесной конструкции определяются по формуле:
Атт = Ь ■ к,
где Ь - длина конструкции, мм; к - ширина конструкции, мм.
Длина конструкции Ь, мм:
Ь = а - кк, (9)
где а - минимальный диаметр вкладышей центратора, мм; кк - толщина заготовок конструкции, мм.
Учитывая, минимальный диаметр по паспорту наружного центратора [9], получим минимальные размеры пластины навесного конструкции:
Ь = 280 - 20 = 260мм,
к = А^ = 276.8 = 106мм.
Ь 260
В ходе оценки прочностных характеристик деталей и анализа прилагаемых усилий, был установлен оптимальный материал для изготовления навесной конструкции — сталь марки 45. Этот материал обеспечил необходимую прочность и устойчивость конструкции при испытаниях на растяжение. Выбранная сталь обладает отличные механические свойства, что позволяет проводить испытания образцов сварных соединений полимерных труб с высокой степенью надёжности и достоверности.
Выводы. В результате исследований и модификации существующего оборудования был создан усовершенствованный аппарат для стыковой-сварки, который значительно расширяет функциональные возможности в сфере сварочных технологий. Главная инновация заключается в возможности проведения испытаний на растяжение для образцов со сварными соединениями, что позволяет своевременно и эффективно выявлять дефекты и определять качество сварных швов. Данная возможность является критически важной для обеспечения долговечности и надёжности сварных конструкций, особенно в ответственных отраслях, таких как нефтегазовая и химическая промышленности. Кроме того, была разработана новая методика работы центратора, которая позволяет применять усилия не только на сжатие, как это было принято ранее, но и на растяжение. Важно подчеркнуть, что эти изменения не повлияли на способность заводских гидроцилиндров к созданию максимального давления, что свидетельствует о высокой эффективности и надежности разработанного решения. Такая инновация обеспечивает более гибкий и многофункциональный подход к процессу.
Список литературы
1. Центратор звенный наружный ЦЗН. [Электронный ресурс] URL: https://rosngsk.ru/tsentratory/42-tsentrator-zvennyi-naruzhnyj-tszn (дата обращения: 10.05.2024).
2. Центратор звенный наружный применен. [Электронный ресурс] URL: https://www.centrators.rU2021/05/24/Центратор-звенный-наружный-применен (дата обращения: 10.05.2024).
3. Центратор арочный наружный гидрофицированный. [Электронный ресурс] URL: https://rpstroi.ru/catalog/tsentratory/tsentrator-arochnyy-naruzhnyy-gidrofitsirovannyy (дата обращения: 10.05.2024).
4. Центратор цепной - для труб с малым и средним диаметром. [Электронный ресурс] URL: https://www.centrators.ru/categorv/Рассказываем-о-центраторах/#:~:text=Центратор%20цепной%20-%20одна%20из,охватить%2С%20используя%20лишь%20одно%20приспособление (дата обращения: 10.05.2024).
5. Как выбрать центратор трубный. [Электронный ресурс] URL: https://www.steel-prom.ru/beloretsk/company/articles/kak-vyibrat-tsentrator-trubnyii (дата обращения: 10.05.2024).
6. Сварочные аппараты для стыковой сварки. [Электронный ресурс] URL: https://ctf-russia.ru/welding-equipment/svarka-styk/apparatus-for-butt-welding-with-hydraulic-drive/manual/PIPEFUSE630 (дата обращения: 10.05.2024).
7. ГОСТ 11262-80 Пластмассы. Методы испытаний на растяжение. 36 с.
8. Марутов В.А., Павловский С.А. Гидроцилиндры. М.: Машиностроение, 1966. 89 с.
9. Стыковой сварочный аппарат Pipefuse. Руководство по эксплуатации. С-Пб: ООО «ЦентрТехФорм»,
2020. 40 с.
10. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.
Кузякова Светлана Васильевна, канд. техн. наук, доцент, kuzyakova-sv@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина,
Степнов Николай Владимирович, канд. техн. наук, доцент, stepnov-nv@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина
DEVELOPMENT OF AN UPGRADED DEVICE FOR WELDED JOINTS.
S. V. Kuzyakova, N. V. Stepnov
In the presented article, welded equipment, a centralizer and its types, general principles of pipeline welding are considered, design, modeling and strength calculation of a hinged structure for the modernization of the equipment in question are carried out.
Key words: pipe, welding, centralizers, upgraded device, strength characteristics.
Kuzyakova Svetlana Vasilievna, candidate of technical sciences, docent, kuzyakova-sv@rguk. ru, Russia, Moscow, Russian State University named after. A.N. Kosygina,
Stepnov Nikolay Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, stepnov-nv@rguk. ru, Russia, Moscow, Russian State University named after. A.N. Kosygina
УДК 621.74
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-529-530
ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ 3Б-МОДЕЛЕЙ ЛИТЕЙНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ТОНКОСТЕННЫХ ФОРМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САПР «КОМПАС-ЗБ»
А.В. Анцев, С.К. Захаров, А.А. Арсеньева
В статье представлен подход к построению трехмерных геометрических моделей литейных систем с тонкостенными формами, широко применяемых в различных способах литейного производства, с использованием САПР KOMПAC-3D. В качестве примера объекта для моделирования было выбрано изделие «Рама», получаемое методом литья по выплавляемым моделям с конфигурацией «Елочка» на основе формы с литниково-питающей системой типа I, широко применяющейся при производстве литых изделий из стали и цветных сплавов. Также предложенный подход может быть использован для построения моделей литейных систем с тонкостенными формами и для других способов литья, например, литья в оболочковые формы. Сама геометрическая модель литейной системы с тонкостенными формами строилась двумя разными способами использования штатных инструментов системы автоматизированного проектирования KOMПAC-3D: с использованием инструмента «Эквидистанта поверхности» и с использованием инструмента «Оболочка». Представленный подход можно использовать как альтернативный соответствующим штатным инструментам, входящим в состав систем компьютерного моделирования литейных процессов, в частности, Полигон-Софт и LVMFlow. Также он может быть использован для построения моделей литейных систем с тонкостенными формами и для других способов литья, например, литья в оболочковые формы.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, геометрическая модель, литье по выплавляемым моделям, литейная форма, САПР «KOMПAC-3D».
Среди операций обеспечения компьютерного моделирования литейных процессов (КМЛП) построение геометрической модели литейной системы является наиболее трудоемким и продолжительным, а часто и довольно сложным. Следует отметить, что в печати данный вопрос не рассматривается в достаточной степени. В основном в
529
