Испытание локальной устойчивости сильфонного элемента трубопровода (компенсатора)

УДК 62-45

ИСПЫТАНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СИЛЬФОННОГО ЭЛЕМЕНТА ТРУБОПРОВОДА

С.А. Глебович

В данной статье описаны испытания локальной устойчивости сильфонного элемента трубопровода(компенсатора). Цель работы выяснить, какая применяется методика для проверки трубопровода с сильфонными компенсаторами на устойчивость. Определённый расчёт позволяет судить об устойчивости трубопровода ссильфонным компенсатором, тем более что, при создании расчётной схемы проектировщики применяют идеальную модель трубопровода - не содержащую отклонений и деформаций, а это необходимый фактор возможной потери устойчивости реального трубопровода.

Ключевые слова: трубопровод, компенсатор, сильфонный, устойчивость трубопровода, деформация, методика, проверка устойчивости.

При проектировании трубопроводов с осевыми компенсаторами перед проектировщиками встаёт вопрос о проверке устойчивости такого трубопровода. Проверку устойчивости необходимо проводить для предотвращения возможного скидывания трубопровода со скользящих опор или разрушения трубопровода из-за превышения допустимых напряжений в стенке трубопровода при изгибе. Практический смысл расчёта на устойчивость следующий - при осевом сжимающем усилии, действующем на трубопровод, равном критической силе, трубопровод, который был выведен некоторой силой, перпендикулярной оси трубопровода из состояния прямолинейного равновесия остаётся изогнутым после устранения отклоняющей силы. Если значение сжимающего усилия превышает значение критического усилия - тогда при устранении отклоняющей силы, отклонение трубопровода продолжит увеличиваться, и, наоборот [10].

Многолетняя эксплуатация сильфонных компенсаторов и применение их при строительстве трубопроводов являются наглядным примером превосходства данной конструкции над другими типами компенсаторов. Кроме того, применение осевых сильфонных компенсаторов позволяет снизить потери тепловой энергии и затраты при строительстве и эксплуатации тепловых сетей [9].

Деформация трубопроводов в результате температурных, вибрационных и других факторов, изначально являлась одной из серьезнейших проблем при эксплуатации трубопроводных систем. В результате появилась необходимость компенсации изменений, для снятия напряжения в трубопроводе. Применение осевых сильфонных компенсаторов смогло не только повысить надёжность эксплуатируемых систем теплоснабжения, снизить потери, связанные с утечками теплоносителя, но и в значительной степени сократило капитальные вложения и эксплуатационные расходы.

186

В системах трубопроводов сильфонные компенсаторы работают в условиях малоцикловогонагружения (102 - 104 циклов). Наиболее нагруженные зоны гофров подвергаются циклическому упругопластическому деформированию. При этом деформации могут достигать величины порядка 0,5-2 % [7].

Расчётный метод оценки прочности по локальным значениям напряжений или деформаций связан с чрезвычайно большими трудностями как принципиального, так и технического характера. Затруднения, связанные с разработкой строгих методов расчёта сильфонных компенсаторов на малоцикловую усталость, и настоятельная необходимость решения ответственных практических задач обусловили разработку приближённой методики расчёта с использованием результатов исследований работы сильфо-нов в упругой области в комбинации с экспериментальными данными [8].

Решить проблемы связанные с избыточным напряжением возникающим в трубопроводе в результате температурных и иных видов деформации на протяжении всего срока службы трубопровода при бесканальной прокладке, возможно только с использованием сильфонных осевых компенсационных устройств [6].

Применение осевых компенсаторов, нарушает сплошность трубопровода и привносит в систему силы, «распирающие» трубопровод в осевом направлении, практически не зависящие от температурной деформации. Если теряет устойчивость сплошной трубопровод, то происходит боковое отклонение участка с наименьшей устойчивостью от начального положения оси трубопровода. При этом трубопровод отклоняется на величину ограниченную температурным удлинением трубопровода. В случае же потери устойчивости трубопровода с осевым компенсатором отклонение трубопровода от его начального положения продолжается до полного растяжения компенсатора или до состояния, при котором распорное усилие компенсатора уравновешивается сопротивлением растяжению (возможно при небольших диаметрах или малых давлениях среды) [5].

Рис. 1. Потеря устойчивости трубопровода без компенсатора и потеря устойчивости трубопровода с осевымсильфонным

компенсатором

187

При оценке устойчивости трубопроводной системы следует различать устойчивость трубопровода и устойчивость собственно сильфонного компенсатора.

Устойчивость сильфонного компенсатора разделяется на два типа:

- осевая (продольная) устойчивость.

- устойчивость компенсатора как гибкого сжимаемого стержня.

При потере устойчивости происходит изгиб продольной линии

компенсатора. Чем больше компенсирующая способность сильфона и его длина, тем более жёстким он должен быть. Чем больше эффективная площадь сильфона - тем более жёстким должен быть компенсатор.

Локальная устойчивость (устойчивость в плоскости гофров) - при потере локальной устойчивости происходит изгиб или поворот плоскости гофры таким образом, что плоскость этих гофров больше не является перпендикулярной оси сильфона. Чаще всего это встречается у сильфонов с относительно маленьким отношением длины к диаметру при большой высоте гофры.

Рис. 2. Потеря локальной устойчивости сильфонным компенсатором

Устойчивость собственно сильфона при нормальном перемещении его патрубков должен обеспечить завод-изготовитель. Нормальное перемещение патрубков компенсатора и устойчивость трубопровода должен обеспечить проектант своим проектным решением.Обычно, в основе проверки на устойчивость лежит уравнение критической силы Эйлера.

Стоит выделить следующее - силы трения скользящих опор стабилизируют трубопровод в горизонтальной плоскости, вес трубопровода оказывает стабилизирующее воздействие в вертикальной плоскости. Расчёт критической силы следует проводить, сначала для горизонтальной плоскости и затем - для вертикальной. При этом, если обеспечивается устойчи-

188

вость в горизонтальной плоскости, расчёт устойчивости в вертикальной плоскости проводить не требуется. Но если трубопровод неустойчив в горизонтальной плоскости, его следует стабилизировать направляющими опорами и проверить на вертикальную устойчивость. Такое разделение необходимо для снижения стоимости направляющих опор, т.к. для стабилизации в горизонтальной плоскости достаточно стандартных скользящих опор с направляющим элементом (например, уголки-бортики, приваренные к опорной пластине), а для стабилизации в вертикальной плоскости направляющая опора должна быть охватывающего типа [5].

Расчётная схема реального горизонтального трубопровода стабилизируемого боковыми силами трения или веса трубопровода, не может относиться к классической задаче устойчивости, а рассматривается как продольно-поперечный изгиб. Т.к. если начальный прогиб отсутствует то и прогиб стабилизированного силами трения трубопровода невозможен, но в то же время начальный прогиб трубопровода определяет значение критического сжимающего усилия. Решение сводится к нахождению осевого сжимающего усилия, момент, от действия которого на начальный прогиб трубопровода превысит стабилизирующий момент от действия боковых сил.

На участке трубопровода установлен простой сильфонный компенсатор или СК с защитным кожухом без направляющих опор, такую систему следует рассматривать как стержень изгибаемый сосредоточенной силой, приложенной к свободному концу. При такой схеме применения решающим фактором будет являться не устойчивость системы, а жёсткость трубопровода на изгиб. Система может находиться в равновесном состоянии только в случае, если сумма жёсткости консольно закреплённого трубопровода и жёсткости компенсатора на сдвиг, превышает боковые усилия сильфонного компенсатора при возможной несносности - т.е. может применяться при очень малой длине трубопровода, большом моменте инерции сечения трубопровода (большом диаметре) или низком внутреннем давлении трубопровода.

При появлении в системе небольшого эксцентриситета вектор распорного усилия сильфона отклоняется от оси трубопровода и создаёт боковое усилие, увеличивающее изгиб трубопровода и ещё больше отклоняющий вектор распорного усилия. Возникает замкнутый цикл. Боковые силы такого рода не зависят от температурной деформации и уравновесятся только при растяжении сильфонного компенсатора.

Наприведённых вышерисунках показаны два случая потери устойчивости трубопровода - в первом случае участки трубопровода слева и справа от компенсатора изгибаются разнонаправлено, во втором случае -изгиб участков происходит в одном направлении.

189

Рис. 3. Изгиб трубопровода с сильфонным компенсатором, установленном по схеме

Рис. 4. Разрыв однослойного компенсатора - крайне неустойчивой и ненадёжной конструкции для тепловых сетей

Система может находиться в равновесии в том случае, когда суммарная жёсткость трубопровода на изгиб и жёсткость компенсатора на сдвиг окажется больше, чем возникающее боковое отклоняющее усилие. При этом следует понимать, что при сдвиге патрубка компенсатора на определённую величину угол отклонения распорного усилия будет больше угла изгиба трубопровода пропорционально длинам компенсатора и трубопровода.

Усилия изгиба трубопровода и усилия сдвига компенсатора линейно изменяются по величине сдвига, в то же время значение боковой силы от осевого усилия компенсатора изменяется по синусоиде. Так как графики

190

исходят из начала координат, то можно прийти к следующему заключению: если при малых отклонениях сумма жёсткости изгиба трубопровода и сдвига компенсатора превышает боковую силу от осевого усилия компенсатора при его изгибе, то это соотношение сохранится и при больших величинах отклонения [5].

Таким образом, в данной работе были рассмотрены особенностиис-пытания локальной устойчивости сильфонного элемента трубопровода. В предложенной методике есть способ расчёта горизонтальных трубопроводов канальной или надземной прокладки с сильфонными компенсаторами на устойчивость, принимая во внимание стабилизирующее воздействие боковых сил трения и веса трубопровода. Предлагаемая методика позволяет определить максимально допустимое отклонение для трубопровода, а также однозначно определить угол какой величины и на каком участке трубопровода допускается применить без потери устойчивости трубопровода.

В результате проведённых исследований выявлены предпосылки для широкого внедрения сильфонных компенсаторов в магистральных трубопроводах с целью повышения устойчивости, надёжности и технико-экономической безопасности объектов при минимальных капитальных затратах.

Список литературы

1. Баженов В.А., Дащенко А.Ф., Оробей В.Ф., Сурьянинов Н.Г. Численные методы в механике, 2004. 564 с.

2. Биргер И.А., Пановко Я.Г. Прочность. Устойчивость. Колебания. М.: Машиностроение. Т. 1. 1968. 821 с.

3. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. 2-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Наука, 1967. 984 с.

4. Городецкий А.С., Евзеров И.Д. Компьютерные модели конструкций К.:Факт, 2005. 344 с.

5. Кузин Е.В., Логунов В.В., Поляков В.Л. Устойчивость трубопроводов с осевыми сильфонными компенсаторами // Новости теплоснабжения. Иркутск, 2011. № 07 (131). [Электронный ресурс] URL: http://recuperatio.ru/?p=1769 (Дата обращения: 10.11.2017).

6. Кулухов В.И. Исследование вибрации сильфонных компенсаторов в трубопроводах // Проблеммы надёжности конструкций газопроводных систем. М.: ВНИИГАЗ, 1980.

7. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория упругости. -4-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1987. 204 с.

8. Скоробогатых В.Н., Попов А.Б., Жарикова О.Н., Ротмистров Я.Г., Агапов Р.В., Алимов Х.А. Определение оптимальных параметров гидравлических испытаний тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2008. № 7. С. 22 - 26.

9. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. 2-е изд., перераб. и доп. К.: Буд1вельник, 1982. 281 с.

10. Харионовский В.В., Степанов И.В., Клишин Г. С., Селезнев В.Е., Алешин В.В. Сильфонные компенсаторы для снижения напряжений в трубопроводах ГРС // Газовая промышленность, 2001. № 1. С. 22 - 23.

Глебович Станислав Александрович, асп., slivgl@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

TEST OF LOCAL STABILITY OF THE BELLOWS-SEALED ELEMENT OF THE PIPELINE

S.A. Glebovich

In this article tests of local stability of a bellows-sealed element of the pipeline (compensator) are described. The purpose of work to find out what is applied a technique to check of the pipeline with bellows-sealed compensators on stability. A certain calculation allows to judge stability of the pipeline ssilfonnym the compensator especially as, during creation of the settlement scheme designers apply ideal model of the pipeline - not containing deviations and deformations, and it is a necessary factor of possible loss of stability of the real pipeline.

Key words: pipeline, compensator, bellows-sealed, stability of the pipeline, deformation, technique, stability check.

Glebovich Stanislav Aleksandrovich, postgraduate, stivgl@,mail.ru, Russia, Tula, Tula state university

УДК 658.562

ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДОВ БЕРЕЖЛИВОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ЗАВОДЕ «ПИВОВАРЕННОЙ КОМПАНИИ «БАЛТИКА»

А. А. Аксенов, И.В. Литвинова

Представлен анализ эффективности методов бережливого производства и возможности их использования на заводе «Пивоваренной компании «Балтика» в г. Тула. Предложен путь совершенствования системы управления качеством, путем внедрения в рамках компании системы Канбан.

Ключевые слова: управление качеством, бережливое производств, всеобщее обслуживание оборудования, эффективность, контроль.

В настоящее время особенно актуальными стали методы управления производством, направленные на преодоление кризисных ситуаций и повышение эффективности производства в целом за счет внутреннего ресурса. Среди ведущих подходов к улучшению показателей деятельности предприятия, стоит особо выделить систему «Бережливое производство».

192