Обеспечение прочности технологической оснастки при автоскреплении труб

УДК 621.77.07

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ПРИ АВТОСКРЕПЛЕНИИ ТРУБ

Г.В.Лепеш1, Е.Н.Моисеев2, М.С.Черкасов3

1 Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),

191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21;

2,3ОАО "Центральный научно-исследовательский институт материалов” (ОАО ''ЦНИИМ'”), 191014, Санкт-Петербург, Параднаяул, д. 8

Исследовано напряженно-деформированное состояние элементов оснастки, предназначенной для автоскрепления труб, работающих в условиях высоких давлений. Выявлены основные проблемы обеспечения прочности оснастки. На примере показаны возможные способы обеспечения прочности деталей оснастки и узла прикрепления ее к трубе. Работы выполнены численным методом анализа упруго-пластических задач.

Ключевые слова: автоскрепление, оснастка, обойма, болтовое соединение, прочность, высокое давление, предел текучести материала, остаточные деформации.

ENSURING DURABILITY OF INDUSTRIAL EQUIPMENT AT AN AUTOFASTENING

OF PIPES

G.V.Lepesh, E.N.Moiseev, M. S. Cherkasov

St. Petersburg state University of Economics (SPbSEU), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21;

JSC "The central research institute of materials” (JSC СШ1М), 191014, St. Petersburg, Paradnay street, 8

The intense deformed condition of elements of the equipment intended for an autofastening of the pipes working in the conditions of high pressures is investigated. The main problems of ensuring durability of equipment are revealed. On an example possible ways of ensuring durability of details of equipment and knot of its attachment to a pipe are shown. Works are performed by a numerical method of the analysis of elasto-plastic tasks.

Keywords: autofastening, equipment, holder, bolted connection, durability, high pressure, material fluidity limit, residual deformations.

Введение

Одной из проблем создания высокопрочных конструкций являются ограничения, определяемые конечной прочностью материалов. Так сохранение прочности трубопроводов и сосудов, нагружаемых внутренним давлением высокого уровня [1,2], часто не возможно путем утолщения их стенок и обеспечивается либо путем механического скрепления двух и более цилиндров посадкой с натягом либо с помощью автоскрепления (автофретирования).

Процессу автоскрепления подвергают конструкции, изготавливаемые из упругопластичного материала, в основном из конструкционной стали. Сущность автоскрепления заключается в предварительной нагрузке трубы

1Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения",СПбГЭУ, моб.:+7 921 751 28 29, e-mail: GregoryL@yandex. ru;

2Моисеев Евгений Николаевич - младший научный сотрудник ОАО "ЦНИИМ", моб.: +7 9046407592, e-mail: moiseev_evgen@inbox. ru;

3Черкасов Михаил Сергеевич - инженер I категории ОАО "ЦНИИМ", моб.: +7 9218751245,email: Mihail372@gmail. ru.

или сосуда внутренним давлением, больше рабочего, с таким расчетом, чтобы во внутренних слоях стенок возникали пластические деформации. После снятия давления во внешних слоях стенок сохраняются упругие напряжения растяжения, а во внутренних слоях появляются остаточные сжимающие напряжения, как это показано на примере трубы на рис.1. В дальнейшем при нагрузке сосуда давлением остаточные напряжения суммируются с рабочим так, что во внутренних слоях имеет место чистая разгрузка. Материал сосуда не получает пластических деформаций, если только рабочее давление не превышает давление предварительного обжатия.

Рисунок 1 - Картина напряжений в трубе после автоскрепления

Автоскрепление применяют как альтернативу использования составных труб и цилиндров, собранных с предварительным натягом, а в некоторых случаях как дополнительное мероприятие для внутренней трубы (цилиндра). Эффект автоскрепления усиливается в результате упрочнения металла при пластической деформации. Чем выше склонность металла к наклепу (упрочнению), тем больше предел текучести металла на внутренней поверхности стенки после нагружения и больше упругое сопротивление ее. Позволяя резко увеличить упругое сопротивление стенки, автоскрепление дает возможность выявить возможные дефекты материала и конструкции, уменьшающие ее сопротивление. В производственном отношении автоскрепление отличается простотой, в сравнении с другими способами увеличения сопротивления стенок сосудов и труб, и высокой производительностью.

Фундаментальными работами в области исследования автоскрепления являются работы Ильюшина [3], Огибалова [3], Смирнова Аляева [4].

Автоскрепление как специальный процесс производится обычно способом нагружения гидравлическим давлением. Этот способ позволяет наращивать давление по заданному закону, наиболее точно измерять давление и деформации, а также выдерживать конструкцию под давлением в течение необходимого промежутка времени.

Одной из проблем, возникающих при автоскреплении труб, является проблема обеспечения прочности технологической оснастки, которая должна выдерживать те же давления, что и нагружаемая труба (рис.2). При этом процесс нагружения должен обеспечивать появление пластических деформаций во внутренних слоях стенки трубы, а пластические деформации в деталях оснастки не допускаются. Когда

речь идет об автоскреплении, то, как правило, для изготовления трубы выбирают материалы (сталь) высокой категории прочности. При этом для выбора более прочного материала оснастки альтернатив не остается. Основные детали оснастки изготавливают из того же материала, что и трубу. Обеспечение прочности оснастки достигается тщательной отработкой ее конструкции.

При проектировании технологической оснастки рассматриваются два варианта крепления оснастки (рис. 2). Первый (рис. 2а) непосредственно к трубе и второй (рис. 2б) - со свободной трубой, т.е оснастка скрепляется специальными удерживающими от осевого смещения кронштейнами. К первому варианту прибегают в том случае если противоположные срезы трубы имеют различные диаметры, так, что труба оказывается нагруженной значительной осевой силой, которая может вызвать потерю продольной устойчивости самой трубы. Данный вариант наиболее сложный в реализации по той причине, что размеры узлов крепления становятся зависимыми от заготовки авто-скрепляемой трубы.

1. Построение расчетной схемы

Проведем исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) одной из возможных конструкций оснастки, состоящей из разрезной обоймы, скрепленной болтами (рис. 3). В расчетную схему включены: верхняя и нижняя части обоймы, затяжные болты, гайки, шайбы, опорная втулка. Цель исследования - разработка мероприятий по обеспечению прочности элементов оснастки.

Механические свойства материалов деталей обоймы соответствовали свойствам материала трубы и учитывались функциональной зависимостью между интенсивностями напряжений о. и деформаций в1 изотропно-упрочняемого твердого тела в виде о. = f (в.) , характеризующейся пределом упругости о02 = 1275 МПа, пределом прочности о,,=1452 МПа и относительным удлинением 5, =9%.

Исследование проводились методом конечных элементов в объемной постановке с использованием декартовой системы координат. В качестве расчетной схемы конструкции использована трехмерная модель, построенная в среде SoПdWorks по чертежным размерам де-

талей обоймы. В качестве решателя использовался ANSYS.

В качестве дополнительных условий, ограничивающих число степеней свободы расчетной схемы введены граничные условия, определяющие прикрепление системы координат - путем ограничения перемещений поверхности шляпок трех болтов в направлении нор-

мали к данной поверхности (ось Y глобальной системы координат, см. рис. 4). (Дальнейшие расчеты подтвердили правильность выбранной схемы, по критериям сходимости вычислительного процесса и малому влиянию на "симметричность" компонентов НДС относительно геометрической плоскости симметрии конструкции).

гидравлическая жидкость

обтюратор

гидравлическая жидкость

ш

Рисунок 2 - Схема автоскрепления трубы: а) - с креплением оснастки к трубе; б) - со свободной

трубой

Верхняя часть обойм.

Опорная втулка

пяжные болты Нижняя часть обоймы

Рисунок 3 - Геометрическая модель обоймы

Контактное взаимодействие трубы с обоймой, при исключении из расчета самой трубы, учтено реакцией их взаимодействия, которая будет автоматически определена из расчета при введении граничных условий, запрещающих перемещения в осевом направле-

нии их (рис. 4) на контактной поверхности бурта трубы и обоймы (ось X глобальной системы координат), так, что их = 0 .

Контактное взаимодействие опорной втулки с обтюратором учитывалось введением давления на соответствующую контактную поверхность, величина которого определялась расчетным путем в соответствии со схемами, представленными на рис. 5. по следующему алгоритму:

1. Определение давления на обтюратор. Здесь (рис.5. б) на участке трубы с внутренним диаметром 155 мм действует рабочее давление

Ра = 1200 МПа Следовательно, давление (Р2), действующее по нормали к поверхности обтюратора и распределяемое по контактной площади S2, определяется из следующего соотношения:

P -1552

P2 =

к

4

S

2,264-107

[ МПа ],

где ^ - площадь контактной поверхности

обтюратора с опорной втулкой, к которой прикладывается нагрузка [мм

?][Мм2]

2. При исключении из расчета опорной втулки реакция от нее на обойму (рис. 5а), распределенная в виде давления Р1 по площади Sl, определяется по аналогичной формуле к

P -1552

Pi =

4

S

2,264-107

[МПа].

2. frictionless - модель контакта, в которой при разделении контактирующих поверхностей нормальное давление принимает нулевое значение (между верхней и нижней частями обоймы).

3. frictional - модель контакта, подобная предыдущей, но в которой учитываются контактные напряжения трения скольжения т к (между остальными контактными поверхностями). Величина контактных напряжений тк

определяется величиной нормального контактного давления Pi и величиной заданного коэффициента кулоновского трения f^ по зависимости т = f^Pi где f задавался значением

к ^ 1р ’ ‘-'Ар

f = 0,15.

J тр 7

ОаттШша

При учете взаимодействия между контактными поверхностями деталей, включенных в расчетную схему, в сопряжениях между элементами обоймы использовались следующие модели контакта:

1. bonded - модель контакта, в котором целевая и контактная часть пары связаны между собой, и контактная область не изменяется под действием приложенной нагрузки, скольжение между контактными поверхностями и их разделение не допускается (болт - верхняя часть обоймы, гайка - болт, гайка - шайба, шайба - нижняя часть обоймы).

Рисунок 5 - Расчетная схема определения нагрузки: а) - на корпус обоймы, б) - на опорную втулку

Оценка НДС обоймы в зонах расчетной области, не испытывающих пластических деформаций, проводилась по значениям интенсивностей напряжений аі, величина которых не должна превышать допустимых значений [а] по условию

а ^[а],

определяемых с запасом по отношению к пределу текучести материала ат, так, что

где п - коэффициент запаса, принимаемый для статически нагруженных конструкций в пределах 1,2 - 1,3.

Интенсивности напряжений в принятой декартовой системе координат вычисляются через компоненты напряжений по формуле:

1 (а х-оу )2 + (а у-а,) 2 +(а х-а 2 )2 +...

2 +6

где Сх , Су , Cz , Тху , V , - компоненты ноР-

мальных и касательных напряжений в декартовых координатах.

Нарушение условия (3) в какой либо зоне расчетной области свидетельствует о появлении здесь упругопластических деформаций, величина которых может быть оценена значением их интенсивности 8. по функциональной зависимости с.. = f (8i).

2. Анализ НДС элементов технологической оснастки

На первом этапе исследований произведен расчет, где внешняя сила (Р2 = 1447 МПа) прикладывалась к опорной втулке исходной конструкции (рис. 3). Другие граничные условия соответствовали принятым при построении расчетной схемы (рис. 4).

На рисунке 6 приведены картины интенсивностей напряжений на поверхностях деталей обоймы. Анализ полученных значений показывает, что практически вся расчетная область обоймы нагружена напряжениями, допускаемыми по условию (4), за исключением зон, выделенных на рис. 6 (желтым и красным цветом), где условие (4) не выполняется. В выделенных зонах достигаются упругопластические деформации. Эти зоны расположены в местах резкого изменения геометрии как верхней, так и нижней частей обоймы вблизи поверхности разъема (точкаЛ на рис.7).

Максимальный уровень интенсивностей напряжений в точкеЛ с. = 1350 МПа и превышает условный предел текучести материала (с0 2 = 1275МПа), но не превышает предел

прочности (св = 1452МПа). Наибольшее расчетное значение интенсивностей упруго-пластичеких деформаций 8. в точкеЛ в соответствии с зависимостью с. = f (8i) достигает

8. =0,007, что не превышает относительного удлинения 5,, =0,09 (9%). Однако факт появления упруго-пластических деформаций в расчетной зоне свидетельствует о появлении здесь пластического шарнира и связанного с ним изотропного упрочнения материала. Причем наличие концентратора (резкого изменения геометрии) способствует концентрации здесь пластических деформаций и, как следствие, к возможному зарождению и развитию трещины, приводящей к разрушению конструкции. Вероятность зарождения трещины возрастает со снижением пластических свойств материала.

Рисунок 6 - Интенсивности напряжений

Из результатов расчета следует, что все же наиболее нагруженной частью конструкции обоймы является опорная втулка обтюратора. На рис. 7 представлена картина НДС опорной втулки (разрез в диаметральной плоскости). Здесь интенсивности напряжений достигают максимального значения с. =1435 МПа. Максимальный уровень касательных напряжений составляет Хху = Т2Х = 670 МПа, в то время, как

допустимые касательные напряжения среза принято определять зависимостью

[°среза ] = 0,3 ^ ^

[осреза ] = 0,3 -сТ = 0,3 -1275 = 383 МПа. Следовательно, условие по отсутствию среза втулки не выполняется.

Результаты проведенных расчетов позволяют сделать следующие выводы:

1. Существует большая вероятность разрушения обоймы в плоскости, проходящей через точку А (рис.6 ).

2. Возможен срез опорной втулки (рис. 7).

а)

4 I »

б)

Рисунок 7 - НДС опорной втулки исходной конструкции: а) - интенсивности напряжений, б) - касательные напряжения

3. Анализ влияния условий испытаний и

технологических факторов на НДС

При анализе НДС элементов технологической оснастки рассмотрим следующие дополнительные факторы, которые могут присутствовать при реализации технологического процесса автоскрепления:

1. Увеличение или уменьшение усилий затяжки болтового соединения частей обоймы.

2. Изменение радиуса закругления обоймы в области вероятного разрушения R4 на R0,5 (влияние концентратора напряжений).

Для оценки влияния превышения силы затяжки болтового соединения между частями обоймы был реализован контакт типа frictional с заданием начального взаимного проникновения между верхней и нижней частями обоймы на величину 1 мм, что позволяет оценить характер изменения НДС обоймы в области разрушения (рисунок 8, а).

Перетяжка болтового соединения позволяет незначительно снизить уровень напря-

жений (а. до 1320 МПа) в области концентрации напряжений в обойме, однако, при этом значительно вырастают нагрузки непосредственно в болтах (практически до предела упругости ат = 1200 МПа), что может привести к их разрушению.

Для оценки влияния на НДС элементов оснастки снижения силы затяжки болтового соединения между частями обоймы был реализован контакт типа frictional с заданием начального зазора равного 1 мм. В данном случае уровень напряжений и характер их распределения (рис. 8, б) в значительной мере соответствует НДС исходной конструкции (рис. 6). Следовательно, уменьшение усилия предварительной затяжки болтового соединения не является фактором, способным стать причиной резкого увеличения уровня напряжений и разрушения конструкции обоймы.

Рисунок 8 - Картины НДС обоймы: а) - с перетяжкой болтового соединения, б) - уменьшенное усилие затяжки

При изменении в месте разрушения

обоймы радиуса закругления на ^ ~ ^. 5 , получаем наибольшие напряжения (с. = 1446

МПа) близкие к пределу прочности (св = 1452 МПа) материала. При этом достигаются значительные пластические деформации 8. = 0,05, а

зона высоких напряжений дислоцируется не только в области стыка частей обоймы, но и по всему периметру концентратора (рис. 9). Вероятность разрушения при этом возрастает.

Рисунок 9 - НДС обоймы при радиусе концентратора

4. Анализ возможности доработки конструкции технологической оснастки с целью обеспечения ее прочности

Рассмотрим возможность доработки конструкции технологической оснастки путем изменения геометрии деталей с целью обеспечение прочности.

Введем дополнительные (экономические) ограничения, связанные с невозможностью изготовления новой, отличной от предыдущей детали обоймы. При этом снижение интенсивности НДС в местах концентрации напряжений возможно при реализации следующих мероприятий:

1. Уменьшения плеча между силой в области взаимодействия обоймы и бурта трубы и силой, возникающей при взаимодействии опорной втулки с обоймой, с целью уменьшения изгибающего момента (причина появления наибольших напряжений в зоне разрушения детали, т.е в точке А, рис.6). При этом возможна ступенчатая подрезка торцевой внутренней поверхности обоймы. Одновременно с увеличением радиуса опорной втулки.

2. Увеличение радиусов закруглений для достижения более равномерного распределения напряжений в области концентраторов и снижения уровня напряжений;

При подрезке торцевых поверхностей верхней и нижней обойм появилась возможность увеличения жесткости втулки путем увеличения ее толщины.

На рисунках 10 и 11 приведены картины НДС модернизированных втулки и обоймы. Из результатов следует, что наибольшие напряжения в области концентраторов снижены до уровня а. = 1250 МПа, а относительные деформации не превышают значений 8. = 0,008.

Рисунок 10 - Картина НДС модернизированного варианта конструкции обоймы

Рисунок 11 - НДС опорной втулки модернизированной конструкции: а) - интенсивности напряжений, б) - касательные напряжения

Полученные значения деформаций не могут быть опасными в случае применения от-

носительно пластичной стали с уровнем относительного удлинения 53 = 9%, приведут к образованию пластического шарнира с последующим упрочнением материала в зоне пластических деформаций.

Наибольшие интенсивности напряжений в опорной втулке (рис. 11, а. = 1408 МПа) также снизились относительно предыдущих ( а. = 1435 МПа). А значения касательных

напряжений среза снизилось до 580 МПа. При этом зона наибольших касательных напряжений распространяется лишь на часть толщины втулки, так, что средние по толщине касательные напряжения Тху = Х2х = 320 МПа <

[осреза ^ = 383 МПа, т.е. не превышают допустимых по условию отсутствия среза (6).

Таким образом, разработанные предложения по модернизации конструкции технологической оснастки обеспечивают ее прочность при значениях уровня напряжений в зонах концентрации близких к пределу текучести материала.

5. Совершенствование конструкции технологической оснастки с целью снижения контактного воздействия на трубу

Несмотря на предложенные мероприятия, в контакте обоймы оснастки с трубой наблюдаются значительные контактные напряжения, которые могут привести к смятию поверхности трубы. Снижение контактных напряжений может быть получено только при условии увеличения площади контактной поверхности. В существующей конструкции трубы, имеющей специальный бурт, это невозможно без существенного изменения технологии ее изготовления. Все же имеется возможность доработки конструкции путем выполнения соединения обоймы с трубой посредством нескольких кольцевых канавок и буртов, обеспечивающих увеличение площади контакта.

На рисунке12 приведен расчет такой конструкции оснастки. Из результатов видно, что при значительном пластическом деформировании трубы в процессе автоскрепления, все элементы оснастки испытывают намного меньшие напряжения, за исключением промежуточной втулки, испытывающей продольное сжатие. Обеспечение прочности втулки при

высоких давлениях автоскрепления можно достигать путем применения специального твердого сплава для ее изготовления.

б)

Рисунок 12 -Модернизированная конструкция -а) и ее НДС - б)

Таким образом, на основе анализа НДС элементов технологической оснастки, применяемой при автоскреплении труб путем нагружения их высоким давлением, разработаны конструктивные мероприятия, обеспечивающие значительное повышение прочности оснастки.

Литература

1. Егоров В.В., Зайцев А.С., Лепеш Г.В. О реализации системного подхода при проектировании командных деталей и узлов сложных технических систем.// Технико-технологические проблемы сервиса. -2014. № 1 (27) - с . 36 - 42.

2. Лепеш Г.В. Динамика и прочность труб и вращающихся изделий: Монография/ Лепеш Г.В. - СПб. : изд-во. СПбГУСЭ., -2010.-143 с.

3. Ильюшин А.А., Огибалов П.М. Упруго пластические деформации полых цилиндров. - М.: Изд-во МГУ, -1960. - 227 с.

4. Смирнов Аляев Г.А. Теория автоскрепления цилиндров. М.: Оборонгиз, -1940.-286 с.