CC BY
0
УДК 62-112.4; 69.003
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-3-4-61-65
ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИИ НА ПРОЧНОСТЬ ОБТЮРАТОРА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
THE EFFECT OF CORROSION ON THE STRENGTH OF THE OBTURATOR UNDER THE ACTION OF TEST PRESSURE
Секачёв А.Ф.1, Ланбина А.С.1, Нурмухамедов Ч.И.2
1 Омский государственный технический университет, 644050, г. Омск, Россия
2 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5663-0114, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0009-0004-1550-943X, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0005-1536-4127, E-mail: [email protected]
Резюме: В работе рассматривается напряженно-деформированное состояние изотропной круглой пластины переменной толщины (поворотной заглушки) под действием испытательного давления. Особенностью постановки данной задачи является учет коррозионной агрессивности среды. Исследованы факторы, определяющие расчетные случаи напряженно-деформированного состояния заглушки. Методом численного моделирования установлено, что действие концентратора напряжений под углом 45° в месте закрепления к фланцевым соединениям влияет на перемещения в центральной части. Выявлено расхождение значений для пластин постоянной толщины с теоретическими расчетами.
Ключевые слова: обтюратор, коррозионная прибавка, круглая пластина, напряженно-деформированное состояние, переменная толщина, фаска, концентраторы напряжений.
Для цитирования: Секачёв А.Ф., Ланбина А.С., Нурмухамедов Ч.И. Влияние коррозии на прочность обтюратора под действием испытательного давления // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 3-4. С. 61-65.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-3-4-61-65
Sekachev Andrey F.1, Lanbina Anastasiya S.1, Nurmukhamedov Chingiz I.2
1 Omsk State Technological University, 644050, Omsk, Russia
2 Ufa State Petroleum Technological University, 450064, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5663-0114,
E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0009-0004-1550-943X, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0005-1536-4127, E-mail: [email protected]
Abstract: The paper considers the stress-strain state of an isotropic round plate of variable thickness (rotary plug) under the action of test pressure. A feature of the formulation of this task is to take into account the corrosive aggressiveness of the medium. The factors determining the calculated cases of the stress-strain state of the plug are investigated. It has been established by numerical simulation that the influence of a stress concentrator at an angle of 45° at the point of attachment to the flange connections affects the movements in the central part. The discrepancy between the values for plates of constant thickness and theoretical calculations has been revealed.
Keywords: obturator, corrosion additive, round plate, stress-strain state, variable thickness, chamfer, stress concentrators.
For citation: Sekachev A.F., Lanbina A.S., Nurmukhamedov Ch.I. THE EFFECT OF CORROSION ON THE STRENGTH OF THE OBTURATOR UNDER THE ACTION OF TEST PRESSURE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 3-4, pp. 61-65.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-3-4-61-65
Использование поворотных заглушек (обтюраторов) вне зоны обвалования резервуарных парков позволяет при редкой смене сорта нефти рационализировать затраты на использование оборудования [1]. Поворотная заглушка предназначена для периодического перекрытия потока транспортируемых веществ в трубопроводе и может работать в двух режимах: закрытом, когда на трубопроводном участке стоит глухой фланец, или открытом, когда на трубу установлена сквозная часть.
В настоящей статье рассматривается уточненный метод расчета круглой пластины переменной толщины, расчетная схема которой используется при анализе прочности и долговечности таких элементов конструкций, как поворотная задвижка.
Актуальность темы исследований и дальнейшее совершенствование методов расчета круглых и кольцевых пластин обусловлены широким распространением и применением круглых кольцевых пластин с использованием новых материалов и изменением их толщины в необычных условиях при большой интенсивности внешних воздействий [2].
Целью работы является улучшение методики расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) обтюратора переменной толщины, работающего в контакте с агрессивной средой.
Основные задачи:
- оценить область применения методов расчета НДС пластинчатых систем переменной толщины согласно теории пластин;
- провести анализ методики расчета обтюраторов в соответствии с действующей нормативно-технической документацией [3];
- верифицировать численную модель НДС пластины постоянной толщины;
- провести численное моделирование влияния концентраторов напряжений на НДС обтюратора, работающего в контакте с агрессивной средой.
Методы исследования
Многие современные конструкционные решения состоят из элементов, которые можно классифицировать как пластины. Данные пластины могут быть постоянной или
переменной толщины, различной сложной геометрической формы с вырезами или без них, а также на них могут оказывать влияние не только силовые, но и температурные воздействия. Прогнозирование устойчивости силовых тонкостенных элементов конструкций (пластин) переменной толщины круглой кольцевой формы из нелинейно-упругого материала является важным моментом в проектировании всей конструкции в целом [2].
Уточненные варианты расчета общего НДС круглых пластин построены для постоянной толщины и частных случаев. В теории круглые и кольцевые пластины, толщина которых изменяется от центра по экспоненциальному закону (рис. 1), в полярных координатах имеют вид формул (1-3):
6 (1-v2)
ES,
3
4"
qa4y
-г kr-
0
3 4 гт qa ; S0
= ± k
В-Т2 qa
(1) (2) (3)
Рис. 1. Пластина переменной толщины, убывающая по экспоненциальному закону
Рис. 2. Круглая плоская заглушка
где S0 - толщина пластины в центре, мм; kw - коэффициент для пластин с разными величинами; kr и k0 - коэффициенты для пластин с различными величинами параметра n.
Один из возможных путей построения математически обоснованной теории пластин и оболочек состоит в применении метода прямого асимптотического разложения компонентов НДС в ряды по малому параметру - относительной толщине трехмерного тела, и в последующем интегрировании уравнений трехмерной теории упругости. С помощью этого метода в публикациях [4-7] были сформулированы варианты приближенных теорий, уточняющих результаты классической теории во внутренних областях и узких краевых зонах. Однако в статье [8] было показано, что решение краевых задач, сформулированных в [4-7], сопряжено с математическими трудностями, не позволяющими получить их решение в аналитической форме. В связи с этим в [8-9] прямой путь решения задачи был заменен на вариационно-асимптотический, в соответствии с которым применяется вариационный метод Власова-Канторовича. Другой подход [10-11] к построению уточненной теории называется энергетически согласованным и заключается в разложении перемещений в полиномиальные ряды. При этом искомые перемещения раскладываются в ряды по нормальной координате, формулируются условия согласованности перемещений, которые связывают между собой количество слагаемых в разложении перемещений по тангенциальному и поперечному направлениям [12].
На сегодняшний день при расчетах обтюратора необходимо использовать нормативную документацию [3, 13], в которой описан расчет толщины стенки круглой плоской заглушки (рис. 2). Анализ методики расчета показывает, что формула (4) содержит коэффициент, отличный от теории пластин (формула 5). Тем самым можно говорить о факте расхождения с теорией и об отсутствии обоснования выбора этого коэффициента. Также отсутствует описание усредненного случая и выбора значения коэффициента для конкретных условий эксплуатации, способов закрепления между фланцами.
SR3 =410,488
pr
Р
= \ 0,488-
2
= 0,35DOU4| ^
(4)
(5)
а I а
Основным расчетным случаем является модель круглой пластины из изотропного материала, постоянной толщины, жестко закрепленной по всему контуру. В перпендикулярном направлении к плоскости пластины приложена нагрузка, равномерно распределенная по всей ее площади.
Согласно классической теории, круглая пластина постоянной толщины описывается дифференциальным уравнением (6), исходя из которого получается функция напряжений (7), зависящая от действия давления по всей поверхности пластины (рис. 3) [14]:
1. d U
r dr I dr
1 d Г rdw
r dr l dr
sH.
D '
(6)
где D
E S3
12 (1-v2)
- цилиндрическая жесткость пластины;
q(r) - интенсивность внешней поперечной нагрузки.
а = § St (1 + v) = 0,488 Р2.
(7)
Прогиб пластины wmax на рассматриваемой схеме происходит в центре - в точке О и вычисляется по формуле
Pr4 Pr412 (1-v2)
о =-=---—
max 64D 64ES3 '
(8)
0
Рис. 3. Расчетная схема пластины с равномерно
распределенной по всей поверхности нагрузкой
| Рис. 4. Сетка КЭ и граничные условия
Таблица 1
Результаты расчетов прогиба пластины в ее центр
Расчетное значение в точке О Значения Ед. изм.
wmax 0,285 мм
wmax 0,300 мм
66,i
МПа
Прогиб пластины в ее центре wmax с учетом деформации сдвига в точке О вычисляется по формуле
Pr4 64D
Pr412 (1-v2V 4
-1 + Т4—
64E S3 1 + v
=2^
(9)
При 8 = 45 мм; г = 340 мм; E = 210 000 Н/мм2; ц = 0,3; P = 2,4 МПа; разница между формулами (8) и (9) составляет 5%.
Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Численное моделирование
Анализ НДС проводился методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS, в модуле Static Structural, предназначенном для решения задач механики деформируемого твердого тела в статической постановке. Общее количество конечных элементов (КЭ) модели 26 620, количество узлов - 124 095. Сетка конечных элементов и приложенные нагрузки представлены на рис. 4.
Относительные перемещения и напряженно-деформированное состояние, возникающие в пластине, представлены на рис. 5 и 6.
Полученные результаты расчета круглой пластины в программе ANSYS отличаются от теоретических на 1,73%, что
а
max
| Рис. 5. Эквивалентные напряжение по Мизесу
| Рис. 6. Перемещения в пластине
| Рис. 7. Сплошная часть поворотной заглушки
| Рис. 9. Сетка КЭ и граничные условия заглушки с фаской 45°
45
Ь*
<1
Рис. 8. Образование кольца с треугольным сечением при монтаже во фланцевые соединения
Рис. 10. Перемещения, возникающие в сплошной части заглушки с фаской 45°
Рис. 11. Напряженное состояние обтюратора с фаской 45°
ь
Ь
говорит о хорошей сходимости результатов, однако методика расчета по руководящим документам не учитывает конструктивного исполнения обтюратора [3, 13]. Различие конструкции заглушки и круглой пластины заключается в наличии ступеньки величиной 1п, которая является прибавкой на коррозию (рис. 7). Рассчитанная пластина толщиной Ь1 является частью поворотной заглушки.
Как отмечалось в [1], разница между межфланцевой и поворотной заключается в отсутствии сквозного проходного отверстия в центре заглушки. Кроме этого, отличие имеется в месте фаски, тем самым образуется кольцо с треугольным сечением, на которое не предусмотрена коррозионная прибавка (рис. 8).
Для анализа влияния концентратора напряжений на НДС в сплошной части обтюратора проведено моделирование в программе ANSYS. Общее количество конечных элементов заглушки 21 825, количество узлов - 39 013. Сетка конечных элементов и приложенные нагрузки представлены на рис. 9. Расчетное значение давления на центральную часть задвижки соотвествовало испытательному. Переферийная часть заглушки жестко закреплена с двух сторон. Эти граничные условия позволяют при необходимости задавать параметры эксплуатируемого обтюратора сплошной частью, зажатой между фланцев при использовании испытательного давления. Оценка напряженно-деформированного состояния проводилась по эквивалентным значениям Мизеса.
Относительные перемещения, возникающие в заглушке, представлены на рис. 10.
Из результатов на рис. 10 видно, что максимальный прогиб, равный примерно 0,35 мм, будет иметь место в зоне нагружения. Прогиб такой величины отличается от теоретического расчета на 13,9%.
Напряженно-деформированное состояния по Мизесу (рис. 11) показывает, что напряжения в центральной части составляют 68 МПа, что соответствует расчетному случаю пластины постоянной толщины (см. рис. 5), однако максимальные значения напряжений кратно превышают расчетные (158 МПа) и будут возникать на периферийной части заглушки, что связано с утолщением стенки и фаской под углом 45°.
Заключение
Предложены расчетная схема и численная модель обтюратора, работающего в контакте с агрессивной средой, учитывающая наличие концентратора напряжений. Установлено, что влияние концентратора напряжений под углом 45° в месте закрепления к фланцевым соединениям увеличивает перемещения на центральной части обтюратора на 13%. Анализ показал, что напряжения в периферийной части обтюратора, имеющего переменную толщину, кратно превышают напряжения в центральной части. Таким образом, в дополнение к существующей методике расчета обтюраторов необходимо после определения припуска на коррозию и угла фаски (формы изменения геометрии) исследовать НДС в области концентратора напряжений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Секачёв А.Ф., Ланбина А.С., Шалай В.В., Якупов А.У. Замена запорной арматуры в технологической обвязке вне зоны обвалования резервуарного парка при смене номенклатуры сорта нефти // Вестник Российской академии естественных наук. 2024. Т. 24. № 3. С. 42-47.
2. Садигов И.Р. Исследование устойчивости многослойных круглых пластин переменной толщины из нелинейно-упругого материала // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. № 7-1(85). С. 33-37.
3. ГОСТ 32388-2013. Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия.
4. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. М.: Наука, 1976. 512 с.
5. Гольденвейзер А.Л. Построение приближенной теории оболочек при помощи асимптотического интегрирования уравнений теории упругости // Прикладная математика и механика. 1963. Т. 27. Вып. 4. С. 593-608.
6. Агаловян Л.А. Асимптотическая теория анизотропных пластин и оболочек. М.: Наука, 1997. 414 с.
7. Колос А.В. Об уточнении классической теории изгиба круглых пластинок // Прикладная математика и механика. 1964. Т. 28. Вып. 3. С. 582-589.
8. Firsanov V.V. Study of stress-deformed state of rectangular plates based on nonclassical theory. Journal of Machinery, Manufacture and Reliability. 2016. Vol. 5. No. 6. Pp. 515-522.
9. Фирсанов В.В. Математическая модель напряженно-деформированного состояния прямоугольной пластинки переменной толщины с учетом пограничного слоя // Механика композиционных материалов и конструкций. 2016. Т. 22. № 1. С. 3-18.
10. Фирсанов В.В., Зоан К.Х. Напряженное состояние «пограничный слой» в прямоугольной пластине переменной толщины // Изв. ТГУ. Технические науки. 2018. № 6. С. 443-451.
11. Васильев В.В., Лурье С.А. К проблеме построения неклассической теории пластин // Изв. АН СССР. МТТ. 1990. № 2. С. 158-167.
12. Фирсанов В.В., Зоан К.Х., Чан Н.Д. Краевое напряженно-деформированное состояние круглой пластины переменной толщины на основе неклассической теории // Проблемы прочности и пластичности. 2020. Т. 82. № 1. С. 32-42.
13. АТК 26-18-5-93 Альбом типовых конструкций. Заглушки поворотные стальные для фланцев.
14. Вайнберг Д.В., Вайнберг Е.Д. Расчет пластин. Киев: Будивельник, 1970. 436 c.
REFERENCES
1. Sekachov A.F., Lanbina A.S., Shalay V.V., Yakupov A.U. Replacement of shut-off valves in the process piping outside the bund zone of the tank farm when changing the nomenclature of the oil grade. Vestnik Rossiyskoy akademiiy estestvennykh nauk, 2024, vol. 24, no. 3, pp. 42-47 (In Russian).
2. Sadigov I.R. Study of the stability of multilayer round plates of variable thickness made of nonlinear elastic material. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiyzhurnal, 2019, no. 7-1(85), pp. 33-37 (In Russian).
3. GOST 32388-2013. Truboprovody tekhnologicheskiye. Normy I metody rascheta na prochnost', vibratsiyu I seysmicheskiye vozdeystviya [State Standard 32388-2013. Processing pipes. Standards and calculation methods for the stress, vibration and seismic effects].
4. Gol'denveyzer A.L. Teoriya uprugikh tonkikh obolochek [Theory of elastic thin shells]. Moscow, Nauka Publ., 1976. 512 p.
5. Gol'denveyzer A.L. Construction of an approximate theory of shells using asymptotic integration of the equations of elasticity theory. Prikladnaya matematika Imekhanika, 1963, vol. 27, no. 4, pp. 593-608 (In Russian).
6. Agalovyan L.A. Asimptoticheskaya teoriya anizotropnykh plastin I obolochek [Asymptotic theory of anisotropic plates and shells]. Moscow, Nauka Publ., 1997. 414 p.
7. Kolos A.V. On refinement of the classical theory of bending of circular plates. Prikladnaya matematika imekhanika, 1964, vol. 28, no. 3, pp. 582-589 (In Russian).
8. Firsanov V.V. Study of stress-deformed state of rectangular plates based on nonclassical theory. Journal of Machinery, Manufacture and Reliability, 2016, vol. 5, no. 6, pp. 515-522.
9. Firsanov V.V. Mathematical model of the stress-strain state of a rectangular plate of variable thickness taking into account the boundary layer. Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsiy, 2016, vol. 22, no. 1, pp. 3-18 (In Russian).
10. Firsanov V.V., Zoan K.KH. Stress state "boundary layer" in a rectangular plate of variable thickness. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki, 2018, no. 6, pp. 443-451 (In Russian).
11. Vasil'yev V.V., Lur'ye S.A. On the problem of constructing a non-classical theory of plates. Izv. ANSSSR. MTT, 1990, no. 2, pp. 158-167 (In Russian).
12. Firsanov V.V., Zoan K.KH., Chan N.D. Edge stress-strain state of a circular plate of variable thickness based on non-classical theory. Problemy prochnosti iplastichnosti. 2020, vol. 82, no. 1, pp. 32-42 (In Russian).
13. ATK 26-18-5-93 «Al'bom tipovykh konstruktsiy. Zaglushki povorotnyye stal'nyye dlya flantsev» [ATK 26-18-5-93 "Album of typical designs. Rotary steel plugs for flanges"].
14. Vaynberg D.V., Vaynberg YE.D. Raschetplastin [Calculation of plates]. Kiev, Budivel'nik Publ., 1970. 436 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Секачёв Андрей Фёдорович, к.т.н., доцент кафедры нефтегазового дела, стандартизации и метрологии, Омский государственный технический университет.
Ланбина Анастасия Сергеевна, бакалавр кафедры нефтегазового дела, стандартизации и метрологии, Омский государственный технический университет.
Нурмухамедов Чингиз Ильшатович, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Andrey F. Sekachev, Ph.D., Associate Professor of the Department of Oil and Gas Engineering, Standardization and Metrology, Omsk State Technical University.
Anastasia S. Lanbina, Bachelor Professor of the Department of Oil and Gas Engineering, Standardization and Metrology, Omsk State Technical University.
Chingiz I. Nurmukhamedov, Master's Student of the Department of Transportation and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technical University.
