WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

1,1,1,y = 0,1991x + 0,1,R2 = 0,0,0,0,0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Скорость, м/с Рисунок 6 - Зависимость разности давления в системе и максимального давления на клин от скорости потока при закрытии проходного сечения на 95% При помощи данной зависимости можно корректировать давление, которое задается на поверхности клина задвижки в процессе расчета его напряженДавление, МПа Разность давлений, МПа но-деформированного состояния: к давлению на поверхности клина прибавляется разность давлений в зависимости от скорости потока сырья.

На рисунке 7 показано распределение давления в плоскости задвижки по сечению при закрытии проходного сечения на 95%. Картина распределения давления в плоскости задвижки дополняет анализ течения потока и показывает, что наиболее нагруженной деталью является клин.

Рисунок 7 - Распределение давления в плоскости задвижки по сечению при закрытии проходного сечения на 95% Также для изучения гидродинамики движения перекачиваемого продукта применялась относительная скорость, выраженная в векторной форме и характеризующая движение жидкости по отношению к стенкам задвижки. Пример графического представление векторного поля скоростей потока в плоскости симметрии задвижки при закрытии проходного сечения на 95% приведен на рисунке 8. Поле скоростей наглядно показывает характер течения жидкости.

При этом выделяются две зоны обратного тока и застойная зона (торможение потока). Наличие второй зоны обратного тока обусловлено ограничением размеров модели. Также поле скоростей показывает образование стационарных вихрей за клином и далее по сечению, что наиболее ярко отражает вариант закрытия на 95%. Следует отметить, что зона торможения потока в выходном патрубке имеет значительные размеры. Вихреобразование и рециркуляция потока жидкости, которые возникают в области сужения проходного сечения, объясняются тем, что при прохождении через препятствие в виде клина поток жидкости частично меняет направление и возникает обратное течение. Возвращаясь к основному потоку, жидкость, участвующая в рециркуляции, преобразует рецир куляционную зону в вихрь. Турбулентное смешивание основного и обратного потока вызывает гидравлические удары, интенсивные пульсации потока и давления, которые увеличиваются в зависимости от степени закрытия клина и являются одной из главных причин разрушения металла корпуса и клина задвижки.

Рисунок 8 – Пример графического представления векторного поля скоростей потока в плоскости симметрии задвижки при закрытии проходного сечения на 95% Чем больше закрыт клин, тем более увеличивается промежуток скоростей и тем интенсивнее происходит вихреобразование.

В зависимости от степени закрытия проходного сечения картина распределения давления на поверхности клина изменяется (рисунок 9).

0% (открыто) 20% 50% 75% 95% Рисунок 9 – Картина распределение давления на поверхности клина задвижки в зависимости от степени закрытия проходного сечения Также были получены зависимости максимального давления на клин от закрытия проходного сечения при различных значениях давления в системе и при постоянной скорости потока. Результаты расчетов показали, что при увеличении давления в системе при постоянной скорости потока разность давления в системе и максимального давления на клин составляет менее 1%.

При анализе гидродинамики потока одной из наиболее важных гидравлических характеристик является коэффициент местного гидравлического сопротивления. Из анализа литературных данных известно, что в процессе закрытия задвижки коэффициент местного гидравлического сопротивления изменяется.

Для открытой клиновой задвижки коэффициент гидравлического сопротивления ( ) ориентировочно принимается 0,15. В данной работе коэффициент гидравлического сопротивления определялся по следующей формуле:

= 2P/ V, где P - перепад давления на задвижке (по данным расчета), Па;

- плотность среды, кг/м3;

V – скорость потока, м/c.

В результате была получена зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления от степени закрытия проходного сечения при расчетной скорости 8 м/с (рисунок 10). Данная зависимость подтвердила, что коэффициент гидравлического сопротивления возрастает тем больше, чем больше перекрывается проходное сечение.

При большом закрытии затвора значительно возрастает погрешность определения местного гидравлического сопротивления, поэтому зависимость на рисунке 10 ограничена закрытием проходного сечения на 95%.

Далее была получена зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления от скорости потока при полностью открытом проходном сечении (рисунок 11).

y = 2E-06x3 + 0,0001x2 + 0,1288x + 0,R2 = 0,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Степень закрытия проходного сечения, % Рисунок 10 - Зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления от степени закрытия проходного сечения при расчетной скорости 8 м/с 0,0,0,0,y = -0,0516x + 0,0,R2 = 0,0,0,0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Скорость потока, м/с Рисунок 11 - Зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления от скорости потока при полностью открытом проходном сечении Зависимость на рисунке 10 показывает, что коэффициент местного сопротивления задвижки в любом случае будет превышать рекомендуемый (ориентировочный, равный 0,15), однако при увеличении скорости потока коэффициент местного гидравлического сопротивления снижается (рисунок 11).

В четвертой главе приведена постановка численного эксперимента и его результаты по оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) клина и Коэффициент местного сопротивления Коэффициент местного сопротивления уплотнительных колец клиновой задвижки при помощи программного пакета ABAQUS 6.5.1.

В программный комплекс ABAQUS была импортирована модель (см. рисунок 3), состоящая из деталей, находящихся непосредственно в зоне возникновения дефектов на стадии испытаний (корпус, клин и уплотнительные кольца).

Отдельно для каждой детали были заданы предельные напряжения, характерные для материала, из которого изготовлена деталь (материал клина 20Х13, материал колец – 09Г2С); определены поверхности контакта и задана нагрузка (давление) на клин.

Решение задачи проводилось в осесимметричной постановке. Ось симметрии модели совмещена с осью OY. Расчетная модель показана на рисунке 12, а.

а б Рисунок 12 – Расчетная модель (а) и модель с наложением сетки (б) При построении сетки, которая значительно влияет на сходимость решения, был определен минимальный размер элемента и был выбран тип объемного элемента: треугольный, поскольку клин является деталью сложной конфигурации. Сетка на клине и сетка на уплотнительных кольцах была построена различного размера: клин разбит на более крупную сетку, так как является главной деталью, уплотнительные кольца – менее крупно, так как являются подчиненными деталями. На рисунке 12, б показана модель с наложением сетки.

Граничные условия (закрепление деталей) и приложенные нагрузки представлены на рисунке 13.

Рисунок 13 – Граничные условия и приложенные нагрузки Условия закрепления при расчетах на закрытие и открытие задвижки идентичны. Клин и кольца закреплялись относительно плоскости симметрии (Uz=URx=URy=0). К одной из сторон клина по оси OY была приложена распределенная нагрузка, соответствующая максимальному давлению на клин при данном варианте расчета. Давление по поверхности клина распределялось равномерно.

Напряжения, полученные в результате расчета, сравнивались с допускаемыми напряжениями при различных температурах.

Анализ полученной зависимости напряжения клина при входе в посадочное место от давления (рисунок 14, а), показал, что напряжения в исследуемом интервале температур начинают превышать допускаемые значения при давлении на клин свыше 13 МПа. Данная зависимость позволяет вводить ограничения по рабочему давлению в трубопроводе с учетом корректировки давления по рисунку 6.

а б Рисунок 14 – Зависимость напряжения (а) и перемещения (б) клина от давления Также были получены зависимости перемещений клина при входе в посадочное место от давления при различных температурах (рисунок 14, б).

Расчеты показали, что существует определенный диапазон сочетаний температур и давлений, при которых клин в процессе закрытия не входит в по садочное место, отклоняясь от вертикали, то есть, происходит превышение допускаемых перемещений.

Для примера на рисунке 15 представлена картина напряженнодеформированного состояния (НДС) клина в процессе закрытия при температуре 20 0С и давлении 16 МПа. В нижней части клина расположена зона с максимальными напряжениями (375 МПа). При этом перемещения находятся в допускаемых пределах, и клин входит в посадочное место. В отличие от этих условий, при температуре 20 0С и давлении 17,6 МПа клин застревает (рисунок 16) и при полном его закрытии часть металла срезается.

Рисунок 15 – Картина НДС клина при закрытии задвижки при температуре 20 0С и давлении 16 МПа Рисунок 16 – Картина НДС клина в процессе заклинивания при закрытии задвижки при температуре 20 0С и давлении 17,6 МПа Результаты расчетов подтверждаются реальными примерами разрушения тарелок клина (рисунок 17) в зоне входа в посадочное место.

Рисунок 17 – Картина разрушения тарелки клина в зоне входа в посадочное место От момента открытия задвижки до открытия проходного сечения на 5% в зацепах клина возникает зона концентрации напряжений (рисунок 18). При этом максимальные напряжения превышают предел текучести.

Рисунок 18 – Картина НДС в зацепах клина в процессе открытия задвижки Полученные результаты подтверждается реальными примерами разрушения зацепов клина в процессе эксплуатации задвижки (рисунок 19).

а б Рисунок 19 – Примеры разрушения зацепов клина в процессе эксплуатации задвижки (а, б) Анализ зависимости напряжения в зацепах клина от давления в момент открытия задвижки (рисунок 19) показал, что напряжения в исследуемом интервале температур превышают предел текучести при давлении на клин свыше 5 МПа.

Рисунок 19 – Зависимость напряжения клина в зацепах от давления в момент открытия задвижки Полученные результаты показывают необходимость учитывать цикличность изменения напряжений в зацепах клина в процессе эксплуатации при проведении прочностных расчетов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1 Проведенный анализ статистических данных показал, что основными причинами выхода из строя клиновых задвижек являются повреждения клина.

При закрытии задвижки наиболее характерно возникновение повреждений в посадочном месте клина (поверхность тарелок), при открытии - разрушение зацепов клина.

2 Решена комплексная задача оценки напряженно-деформированного состояния деталей клиновых задвижек с учетом гидродинамических характеристик потока среды.

3 Установлено, что распределенная поперечная нагрузка на клин изменяется в зависимости от проходного сечения, достигая максимального значения при закрытии клина на 95%. При этом получено, что увеличение значения давлении в системе при постоянной скорости потока среды должно менее негативно сказываться на накоплении повреждений задвижки, нежели увеличение скорости потока среды при постоянном давлении в системе. Так, в диапазоне рекомендуемых скоростей течения жидкости для задвижки ЗКЛ2 200-160 ХЛразность давления в системе и максимального давления на клин увеличивается от 0,3 МПа при скорости 1,5 м/с до 1,6 МПа при скорости 8 м/с.

4 Доказано, что при определении напряженно-деформированного состояния клина с учетом разности давления в системе и максимального давления на клин в процессе открытия-закрытия задвижки появляется возможность корректировки рабочего давления в трубопроводе для обеспечения необходимого срока службы. Для задвижки ЗКЛ2 200-160 ХЛ1 в исследуемом интервале температур от 20 до 200 0С давление на клин можно ограничить 13 МПа, при котором напряжения и перемещения при закрытии не превышают допускаемые значения.

5 Установлено, что в момент открытия задвижки напряжения в зацепах достигают предела текучести, и уменьшаются при открытии проходного сечения начиная с 5%. Для задвижки ЗКЛ2 200-160 ХЛ1 напряжения в зацепах при открытии достигают предела текучести при давлении на клин свыше 5,0 МПа.

Основное содержание диссертации изложено в следующих научных трудах:

1 Закирничная М.М. Твердотельное моделирование при проектировании опасных производственных объектов/ М.М. Закирничная, Р.А. Зарипов, Е.И. Иванова, Р.Н. Гатин, Р.М. Гилимьянов // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. ст.– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004.– №17.

2 Кузеев И.Р. Проектирование опасных производственных процессов с использованием метода твердотельного моделирования/ И.Р. Кузеев, М.М.

Закирничная, А.Х. Габбасова, Р.А. Зарипов, Е.И. Иванова, Р.Н. Гатин, Р.М. Гилимьянов// Нефтегазопереработка и нефтехимия – 2005: материалы междунар.

научно-практической конференции.– Уфа: Изд-во ГУП ИНХП РБ, 2005.– C.428.

3 Закирничная М.М. Влияние местного сопротивления в виде запорной арматуры на изменение гидродинамики потока жидкости в трубопроводе/ М.М Закирничная, Е.И. Иванова// Нефтегазовое дело.- 2006.- Т. 4, №2.- С. 64-70.

4 Иванова Е.И. Изменение гидродинамики потока в трубопроводе под влиянием местного сопротивления/ Е.И. Иванова, Д.Ф. Ахметдинов, А.Х. Габбасова// Материалы 58-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых.– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007.

5 Закирничная М.М. Особенности построения трехмерной твердотельной модели задвижки ЗКЛ2 200-160 для определения напряженнодеформированного состояния ее проточной части/ М.М. Закирничная, Е.И. Иванова// Компьютерный и инженерный анализ. материалы IV Российской научно-технической конференции.– Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2007.

Pages:     | 1 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»