Механическое поведение составных уплотнительных элементов из терморасширенного графита для фланцевых соединений трубопроводов большого диаметра

УДК 539.3

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ СОСТАВНЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА ДЛЯ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

© 2014 А.В. Зайцев, В С. Кокшаров, И.В. Предков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Поступила в редакцию 12.12.2014

На основе разработанной модели механического поведения составных уплотнительных элементов из терморасширенного графита для крупногабаритных фланцевых соединений определены значения контактных давлений, обоснован выбор давлений герметизации, обеспечивающих безопасную работу трубопроводной арматуры.

Ключевые слова: терморасширенный графит, уплотнительный элемент, фланцевое соединение, трубопровод, герметизация, контактное давление

Использование уплотнительных элементов (УЭ), изготовленных из терморасширенного графита (ТРГ), для герметизации фланцевых соединений трубопроводов в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, предприятиях электроэнергетики и ЖКХ связано с высокой термо- и химической стойкостью этого уникального материала [1, 2]. Для фланцевых соединений большего диаметра гарантированное обеспечение геометрической стабильности (выполнение заданных допусков на внутренние и внешние диаметры) может быть обеспечено только в случае, если УЭ будет составным (т.е. будет состоять из нескольких сегментов, соединенных между собой). Часто возникающие при эксплуатации значительные перепады рабочих давлений могут привести к увеличению числа аварийных прекращений работы оборудования по причине разгерметизации или протечки рабочей среды в местах сопряжения составных частей УЭ фланцевых соединений. По мнению инженеров-конструкторов, занимающихся разработкой и проектированием УЭ из «традиционных» слабосжимаемых изотропных материалов (паронит, фторопласт, резина и т.п.), в качестве возможных причин отказа оборудования может рассматриваться недостаточные контактное давление pcont на поверхностях сопряжения частей составных УЭ и торцевое равномерное

Зайцев Алексей Вячеславович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций». E-mail: zav@pstu.ru

Кокшаров Виталий Сергеевич, аспирант Предков Иван Владимирович, аспирант

давление герметизации pgerm, задаваемое усилиями затяжки шпилек или болтов фланца. Аргументами в пользу этих предположений выступают регламентируемое стандартами [2, 3] для «традиционных» уплотнительных материалов (имеющих коэффициенты Пуассона, близкие к 0,5) эмпирическое соотношение для р и рабочего pwork давления:

РсотЦ2---4)Луогк-

ТРГ обладает ярко выраженной анизотропией физико-механических свойств, предопределяемой технологическими операциями многократной прокатки в фольгу и прессования [1]. Поэтому настоящая работа будет посвящена описанию деформирования составных УЭ из ТРГ и определению контактного давления для различных конструктивных исполнений соединения сегментов УЭ, различных значений давлений р и р .

гwork rgerm

Рис. 1. Граничные условия для 1/4 симметричной части разъемного УЭ

УЭ фланцевого соединения является составным толстостенным, ограниченным по

высоте И однородным цилиндром, поперечное сечение которого ограничено двумя концентрическими окружностями радиусами а и Ь, а < Ь. Следуя [4, 5], при построении модели деформирования составного УЭ из ТРГ, будем предполагать, что справедливы уравнения равновесия

д гагг + д 2Г +1

дг сге + д zсzе +1 (десее + 2сге) = 0, г

д гсzг +дzсzz +1 (десе7 +сzг) = 0

г

и геометрические соотношение Коши

srr =Э гиг, s zz = а zuz: 2szr=druz+а zur,

sM =1 (S0u, + u„ ),

r

2sr9=5rue+1 (5eur - ue),

r

2sez = 5 zu e +1 deuz'

записанные в цилиндрическом ортогональной системе координат г, е и z.

Анализ технологических процессов изготовления УЭ позволяет сделать вывод о том, что ТРГ - линейно упругий трансверсально-изотроп-ный материал с осью симметрии бесконечного порядка z, совпадающей с образующей УЭ. Тогда определяющие соотношения представим следующим образом:

сгг = ^118гг + К12еее + К138 zz,

сее = к12егг + к\ 18ее + К138 zz, (4) сzz = *13 (ггг + 8ее) + ^зз8 zz, сге = <^ге,

Czг =<zг ' ^ =<еz

K.. =^(1-V2), K,2 = -(v-v2),

, .2 ,

DV ' D

2\ „ -E,

K33 =—(l-v2 ), K.3 =v-(1 + v).

D

мерным осевым давлением рёегт на торцевой поверхности УЭ Г 5 :

0 zz 1г5 = Р

germ'

которое не исключает скольжение на внешней боковой Г и нижней торцевой Г поверхностях, по которым составной УЭ контактирует с корпусом фланца:

ur Г = 0 ' ° rz 1г6

о relr6 = 0 •

= 0,

uz|Г6 = 0 '

На участке Г внутренней боковой поверхности, контактирующей с рабочими средами (жидкостями или газами), задано рабочее давление

Pwork. Поэтому

Тт pwork •

Геометрия и положение поверхности сопряжения Г отдельных частей УЭ определяются в ходе решения краевой задачи. На этих поверхно-

стях

при [

имеет место

идеальное прилипание частей

[спт (г)«и (г= Кт (г) «и (г )!г- ,

К

а при [сит(г)1г^=[м|сии(г)|]|г- реализуются условия контакта с кулоновским трением [спт(г)]1г^ =[^1сии (г)1]1Г- ,

К(r )]U=K(г )]U •

Здесь в = (1 + у)(1-у-2у2), Е и ЕЕ — модули

Юнга в плоскости изотропии и продольном направлении, < и О — поперечный и продольный модули сдвига, V и V — коэффициенты Пуассона.

Будем предполагать, что герметизация фланцевого соединения обеспечивается равно-

Здесь Ц — статический коэффициент трения, а П и т - единичные векторы нормали и касательной к Г 7.

Рассмотрим составной УЭ из ТРГ с внутренним а = 380,0 мм и внешним Ь = 395,0 мм радиусами и толщиной И = 3,0 мм. УЭ будет состоять из 4 сегментов, конструктивными решениями для соединения которых являются «ласточкин хвост» и «клипса». Рабочие давления

Р-лгак предполагались равными 10,0 МПа и 20,0 МПа, а давление герметизации Рgerm изменялись дискретно от 10,0 МПа до 90,0 МПа. Упругие модули ТРГ были выбраны следующими:

Е = 9,04 ГПа, ЕЕ = 0,75 ГПа, < = 0,35 ГПа,

7

о = 0,47 ГПа, V = 0,03 и у = 0,05 [6], коэффициент трения между частями составного УЭ из ТРГ был равен ^ = 0,02 [7].

Решение краевой задачи (2)-(4) с граничными условиями (5)-(9), описывающей механическое поведение составных УЭ из ТРГ при герметизации фланцевых соединений трубопроводов большого диаметра, проводилось численно методом конечных элементов в пакете ANSYS 11.0. Для выбора оптимальной конечноэлемент-ной сетки были решены задачи с различной степенью дискретизации на 8-узловые призматические

элементы с тремя степенями свободы в каждом узле. Дополнительное сгущение сетки предусматривалось вблизи границы контакта сегментов УЭ. Сравнение максимальных значений контактного давления рсоп1 на границе сопряжения

сегментов составных УЭ для сеток с 24185 и 28420 конечными элементами (30526 и 35428 узловых точек соответственно) показало, что различие не превышает 5%. Любая из этих сеток может быть использована для проведения вычислительных экспериментов.

Таблица 1. Значения давления рсоп (МПа) в характерных контрольных точках на границе контакта сегментов составного УЭ из ТРГ для соединения «ласточкин хвост»

^егш / ршогк Точка 1 Точка 2 Точка 3 Точка 4 Точка 5 Точка 6 Точка 7

10 МПа / 10 МПа 9,567 9,502 8,406 8,813 8,439 9,465 9,339

10 МПа / 20 МПа 18,383 18,238 15,617 14,775 15,493 18,103 17,521

20 МПа / 10 МПа 10,286 10,320 10,796 10,080 10,725 10,332 10,386

20 МПа / 20 МПа 19,144 18,987 16,889 17,611 16,853 18,955 18,677

50 МПа / 10 МПа 12,544 13,018 15,539 17,720 15,874 13,118 14,063

50 МПа / 20 МПа 21,350 21,501 24,880 23,537 24,982 21,618 21,976

70 МПа / 10 МПа 13,878 15,103 18,142 24,541 20,196 15,212 16,605

70 МПа / 20 МПа 22,795 23,360 27,278 27,727 28,235 23,522 24,480

90 МПа / 10 МПа 16,948 17,193 22,277 32,316 35,204 17,840 19,402

90 МПа / 20 МПа 24,182 25,263 29,970 37,072 32,289 25,737 26,978

б)

Рис. 2. Распределение давления на поверхности контактна сегментов составного УЭ для способов

соединения «клипса»

Таблица 2. Значения давления рс01Й (МПа) в характерных контрольных точках на границе контакта сегментов составного УЭ из ТРГ для соединения «клипса»

р germ / р-огк Точка 1 Точка 2 Точка 3 Точка 4 Точка 5 Точка 6 Точка 7

10 МПа / 10 МПа 9,072 9,366 9,507 9,974 9,045 9,775 8,990

10 МПа / 20 МПа 16,659 17,930 18,252 19,657 16,917 18,872 16,384

20 МПа / 10 МПа 10,593 10,445 10,288 10,017 10,605 10,082 10,642

20 МПа / 20 МПа 18,138 18,734 19,006 19,967 18,066 19,575 17,974

50 МПа / 10 МПа 14,973 14,746 12,799 10,592 16,765 9,817 15,364

50 МПа / 20 МПа 22,691 21,723 21,379 20,142 22,727 20,732 22,914

70 МПа / 10 МПа 17,826 19,006 14,214 10,254 21,162 9,980 18,520

70 МПа / 20 МПа 25,683 23,242 23,061 21,213 26,914 19,677 26,123

90 МПа / 10 МПа 20,759 22,556 15,675 9,602 25,622 9,615 21,727

90 МПа / 20 МПа 28,574 26,976 24,728 21,644 31,439 19,904 29,241

Рис. 3. Зависимость максимального контактного давления от давления обжатия

В табл. 1 и 2 представлены значения контактного давления в некоторых характерных точках на границе сопряжения сегментов составных УЭ, а на рис. 2 показаны распределения

Рооп1 при Р-огк = 10МПа и Рgerm = 20 МПа Следуя [2, 3] значение контактного давления может рассматриваться в качестве одного из возможных параметров оценки герметичности соединения. Как видим, регламентируемое стандартами для «традиционных» изотропных слабо-сжимаемых уплотнительных материалов [2, 3]

эмпирическое соотношение (1) не выполняется ни для одного из способов соединения, а для случаев, когда р^гк = рёегт, во всех контрольных точках, принадлежащих поверхности сопряжения, имеет место условие р 1 < .

Результаты, представленные на рис. 3, свидетельствуют, что увеличение давления герметизации (регулируемое моментом затяжки шпилек или болтов фланца) не приводит к значительному росту величин максимального контактного давления на поверхностях сопряжения сегментов. Так, например, для выполнения условия (1) при ртеогк = 10 МПа необходимо, чтобы рсоп1 > 20 МПа. Поэтому для способов соединения сегментов составного УЭ из ТРГ «клипса» и «ласточкин хвост» необходимо увеличить давление герметизации р ^ до 70 МПа и 60 МПа

соответственно. Такое увеличение нагрузки может привести не только к разрушению или необратимому пластическому деформированию крепежных элементов фланцевого соединения, но и к появлению зазоров на границе сопряжения сегментов УЭ. При р к = 10 МПа эти зазоры появляются в окрестности шестой контрольной точки для соединение «клипса» (рис. 2а), если давление герметизации будет превышать 30 МПа, а при р-огк = 20 МПа, если р^ > 60 МПа

(табл. 2). Кроме того, при двукратном превышении р над р наблюдается появление

зазоров в окрестности только четвертой контрольной точки (рис. 4), о чем свидетельствуют данные, представленные в табл. 1 и 2. Несмотря на то, что конструктивное исполнение для соединения сегментов составного УЭ «клипса» обеспечивает большую поверхность контакта, наиболее технологичный с точки зрения реализации тип соединения «ласточкин хвост» продемонстрировал стабильные показатели герметичности соединения и гарантированное отсутствие

зазоров уже при р8ет = 2. Несмотря на

это, при стационарном режиме работы трубопроводной арматуры, когда рабочее давление сохраняется на неизменном уровне, разгерметизации соединения сегментов составных УЭ на практике не наблюдается. Однако даже незначительные перепады давления приводят к разгерметизации и последующей аварийной остановке работы оборудования.

Опыт эксплуатации составных УЭ из ТРГ для трубопроводов больших диаметров показывает, что гарантированное обеспечение условий герметичности может быть достигнуто и при нарушении ограничения (1). Исключения составляют описанные выше особые случаи, когда из-за определенных соотношений между рабочими давлениями и давлениями герметизации на границе контакта появляются зазоры. Это, с одной стороны, демонстрирует ограничения в применении существующих и предопределяет необходимость разработки новых отраслевых стандартов для расчета современных составных УЭ для фланцевых соединений трубопроводов больших диаметров, изготовленных из композитов на основе ТРГ [8], а с другой - показывает необходимость разработки принципиально новых методов мониторинга УЭ на основе оптоволоконных технологий, контролирующих не только изменение давлений, но и перемещений точек поверхностей сопряжения.

Авторы признательны руководителям ООО «Силур» г. Пермь: генеральному директору О.Ю. Исаеву и заместителю генерального директора Д.В. Смирнову за постоянное внимание к работе и обсуждение полученных результатов.

Исследования проведены в рамках задания № 2014/152 на выполнение государственных работ в сфере

научной деятельности в рамках базовой части госзадания Минобрнауки РФ (код проекта -1911).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Исаев, О.Ю. Технология и аппаратурное оформление процесса производства уплотнительных материалов из терморасширенного графита / О.Ю. Исаев, Д.В. Смирнов, В.П. Лепихин и др. // Конструкции из композиционных материалов. 2006. Вып. 4. С. 6-79.

2. ГОСТ Р 52857.4-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений.

3. Кондаков, Л.А. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / ЛА. Кондаков, А.М. Голубев, В.Б. Овандер и др. - М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

4. Зайцев, А.В. Моделирование начального режима работы кольца из терморасширенного графита в кранах с уплотнением по штоку / А.В. Зайцев, Д.С. Рогов // Известия Самарского НЦ РАН. 2012. Т. 14, №4(5). С. 1235-1238.

5. Зайцев, А.В. Моделирование условий эксплуатации и уточненный прочностной анализ уплотнитель-ных элементов из терморасширенного графита / А.В. Зайцев, Н.Г. Злобин, О.Ю. Исаев, Д.В. Смирнов // Вестник ПНИПУ. Механика. 2012. № 4. С. 5-19.

6. Нагорный, В.Г. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: Справочник / В.Г. Нагорный, А.С. Котосонов, В.С. Островский и др. -М.: Металлургия, 1975. 336 с.

7. Фиалков, А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. - М.: Аспект Пресс, 1997. 718 c.

8. Андреев, А.П. Первый совместный стандарт на современные уплотнительные элементы из терморасширенного графита для трубопроводной арматуры / А.П. Андреев, Б.В. Бурмистров, А.К. Мату-шак и др. // Арматуростроение. 2006. № 6. С. 50-55.

MECHANICAL BEHAVIOUR OF THE COMPOUND SEALING ELEMENTS FROM THERMOEXPANDED GRAPHITE FOR FLANGE CONNECTIONS AT PIPELINES OF LARGE DIAMETER

© 2014 A.V. Zaytsev, V.S. Koksharov, I.V. Predkov Perm National Research Polytechnical University

On the basis of the developed model of mechanical behavior of compound sealing elements from thermoexpanded graphite for large-size flange connections values of contact pressure are defined, the choice of pressure of sealing ensuring safe functioning of pipeline fittings is reasonable.

Key words: thermoexpanded graphite, sealing element, flange connection, pipeline, sealing, contact pressure

Aleksey Zaitsev, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor at the Department "Mechanics of Composite Materials and Constructions". E-mail: zav@pstu.ru Vitaliy Koksharov, Post-graduate Student Ivan Predkov, Post-graduate Student