автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Повышение работоспособности базовых элементов с патрубками в агрегатах нефтегазохимических производств

• О А

* М 1583

На правах рукописи

САГИНБАЕВ РУСТАМ ХАБИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПАТРУБКАМИ В АГРЕГАТАХ НЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.04.09. - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих

и химических производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 1998

Работа выполнена на кафедре "Технология нефтяного аппаратосгроения" Уфимского государственного нефтяного технического университета' (УГНТУ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Зайнуллин Р.С.

Научный консультант:

доктор технических наук, Абдеев Р.Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Барыкин Н.П.

кандидат технических наук Абдушшн Р.С.

Ведущее предприятие - АООТ "ВНИИНЕФТЕМАШ" (г. Москва)

Защита состоится 16 декабря 1998 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 063.09.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ).

Автореферат разослан 16 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета.

доктор технических наук

Актуальность темы.

Одним из распространенных и тяжелонагруженных конструктивных элементов нефтегазоперерабатывающего оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы) являются соединения в виде патрубков, приваренных к обечайке (трубе). Высокая концентрация напряжений в области стыка патрубка с обечайкой является одной из основных причин пониженной надежности таких конструктивных элементов.

Вариантами укрепления отверстий под патрубки являются: укрепление при помощи проходящего штуцера, укрепление отверстия отбортовкой, укрепление отверстия торообразной вставкой и др. С позиции уменьшения трудоемкости и металлоемкости целесообразнее применение отбортовки отверстия. При этом повышение работоспособности обеспечивается в основном за счет снижения степени концентрации напряжении.

В настоящей работе использован известный метод укрепления отверстий отбортовкой применительно к предложенной новой конструкции усилительных накладных элементов с патрубками, применение которых позволяет повысить характеристики работоспособности и снизить трудоемкость получения отводов на сосудах и трубопроводах.

Предлагаемые в данной работе накладные элементы применимы не только в агрегатах нефтегазохимических производств, но и в трубопроводном транспорте при возникновении необходимости врезки отвода на каком-то участке к действующему трубопроводу с опорожнением и без опорожнения от продукта.

Для обоснования целесообразности применения накладных элементов новой конструкции'былп проведены необходимые исследования характеристик работоспособности, напряженно-деформированного состояния элемента, технологических параметров изготовления и технико-экономической целесообразности их применения.

Для изготовления накладных элементов с отбортованными патрубками сконструирован и изготовлен специальный штамп. Получен:,! опытно промышленные накладные элементы с отбортованными патрубками.

Основные результаты работы положены в основу разработанного стандарта предприятия (СТП-98-5 "Накладные элементы с отбортованными патрубками"), которая передана для внедрения в ГУП "Салаватнефтемаш".

Цель работы - повышение работоспособности базовых элементов с патрубками в агрегатах, нефтегазохимических производств созданием от-бортовки в отверстиях.

Для решения основной цели сформулированы следующие задачи; • оценка напряженного состояния и работоспособности накладных элементов с отбортованными патрубками при статическом и малоцикловом на-гружениях;

- определение технологических деформационных и силовых параметров производства накладных элементов повышенной работоспособности;

- разработка конструкции штамповой оснастки для производства накладных элементов с отбортованными патрубками;

- опытно-промышленное изготовление накладных элементов повышенной работоспособности.

Научная новизна:

- получены аналитические зависимости для оценки упруго-пластических напряжений и деформаций в области накладных элементов новой конструкции;

- разработана методика расчета малоцикловой долговечности, на основе которой доказана целесообразность применения разработанных накладных элементов с отбортованными патрубками;

- предложены и обоснованы аналитические зависимости для определения основных технологических деформационных (минимальный радиус кривизны отбортовки, диаметр отверстия, коэффициент отбортовки и др.) и силовых (усилия и изгибающие моменты при гибке и отбортовке заготовок) параметров, позволяющих рационально спроектировать произвол-

ственный процесс изготовления накладных элементов повышенной работоспособности.

Практическая ценность;

- предложена новая конструкция накладного элемента с патрубком, позволяющая повысить долговечность узла "обечайка-патрубок" примерно в два раза;

- разработан специальный штамп, позволяющий получать накладные элементы за один ход пресса, что значительно снижает трудоемкость производства накладных элементов; , .

- получен опытно-промышленный накладной элемент с патрубком повышенной работоспособности;

- разработанный на основе полученных результатов стандарт предприятия (СТП-98-5 "Накладные элементы с отбортованными патрубками") передан для внедрения в ГУ П "Салаватнефтемаш".

Апробация работы. Материалы диссертации заслушивались: на научно-технической конференции "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий" в отделении технических наук АН Республики Башкортостан и научном семинаре кафедры "Технология нефтяного аппаратостроения" .Уфимского государственного нефтяного технического университета

Диссертация заслушенн и рекомендована к защите на семинаре кафедры "Технология нефтяного аппаратостроения" Уфимского государственного нефтяного технического университета 14 сентября 1998г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, брошюре н 14 научно - технических статьях и тезисах докладов научно-технических, конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, приложений и содержит 137 страниц машинописного текста, 76 рисунка, список литературы из 111 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении дана общая характеристика работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные проблемы изготовления элементов нефтехимической аппаратуры и трубопроводов с отбортованными патрубками. Сформулированы цель и основные задачи работы.

Одним из известных эффективных путей снижения концентрации напряжений в базовых элементах с патрубками является применение отбор-товки отверстий. Процесс отбортовки отверстий на обечайках (трубах) не всегда технологически осуществим. При этом возникает необходимость применения сравнительно дорогостоящего оборудования. С целью повышения характеристик работоспособности базовых элементов с патрубками нами предложена новая конструкция накладного элемента с отбортованным патрубком (рис.1).

Этот накладной элемент повышенной работоспособности может быть использован для получения отводов на сосудах и трубопроводах с опорожнением (рис. 1, а,б) и без опорожнения (рис. 1, в,г) от продукта. В некоторых случаях (рис. 1,в), накладной элемент может выполнять функции укрепляющего кольца.

Технологический процесс изготовления накладного элемента включает следующие операции: вырезка заготовок из листового проката; получение отверстия в заготовке; гибка заготовки под внешний радиус обечайки или трубы; отбортовка отверстия и др. Заметим, что все эти операции представляется возможным осуществлять на специальном разработанном нами совмещенном штампе (см. главу 4).

Рис.1 Схема присоединения патрубка к обечайке (трубе):

1- накладной элемент- 2- сварной шов; 3- обечайка; 4- патрубок.

Вторая глава посвящена исследованию напряженно-

деформированного состояния накладных элементов с отбортованными патрубками.

Как известно, отверстие не только уменьшает несущую способность материала конструкции из-за снижения рабочего сечения, но и вызывает высокую концентрацию напряжений в области края отверстия. Поэтому, важно, при проектировании агрегатов нефтегазохимических производств, решать задачу о снижении концентрации напряжений в области отверстия базовых элементов.

Отметим некоторые характерные особенности напряженного состояния в области пересечения оболочек для рассматриваемых соединении, полученные на базе литературных данных и расчетов методом конечных -по-ментов. Напряженное состояние в оболочках является локальным, с сильно выраженной концентрацией напряжений в оболочках на границе с облае-

тыо пересечения. Меридиональные напряжения - преимущественно изгиб-ные (особенно в оболочках нулевой кривизны, а в сферической и эллипсоидальной оболочках заметен вклад и мембранных составляющих). Окружные напряжения в основном являются мембранными, растягивающими. Наибольшие напряжения, как правило, имеют место на наружной поверхности оболочек - растягивающие меридиональные или окружные. Лишь для соединений с относительно малыми значениями параметров r/R и R/S (здесь R, S- радиус и толщина основной обечайки или трубы; г- радиус патрубка) наибольшими могут быть окружные напряжения на внутренней поверхности обечайки и наружной поверхности внутренней части патрубка. Напряженное состояние в опасных точках наружной и внутренней поверхностей имеет разный характер: двухосное растяжение - на наружной поверхности, смешанное напряженное состояние, когда наибольшее и наименьшее главные напряжения имеют разные знаки - на внутренней поверхности. Но величина интенсивности напряжений (как обобщенной характеристики напряженного состояния) на наружной и внутренней поверхностях примерно одинакова. В зависимости от значения параметра s/S (где s и S-толщина патрубка и обечайки), наибольшими могут быть напряжения в патрубке (при s/S<l) или в основной оболочке (при s/S>l).

Литературные данные и проведенные расчеты (МКЭ) показывают, что максимальные напряжения значительно меньше, чем в аналогичных соединениях без отбортовки и максимальные напряжения возникают вне зоны сварных швов, что повышает характеристики работоспособности базовых элементов с патрубками.

Для определения степени концентрации упруго-пластических напряжений и деформаций былц получены формулы для определения коэффициентов концентрации упруго-пластических напряжений Ка и деформации К.,. Данные формулы были получены на основе известного подхода Г. Нейбе-ра, согласно которому произведение упругих, коэффициентов концентрации напряжений аа и деформаций ае равно произведению упруго-пластических

коэффициентов концентрации напряжений Ка и деформаций Кс. При упругих деформациях коэффициента? концентрации напряжений аа и деформаций ае равны и не зависят от величины приложенных номинальных напряжений стн. Поскольку пластический модуль упрочнения Е=(1с/ёе меньше модуля упругости Е, концентрация упруго-пластических напряжений снижается с ростом номинальных напряжений ст„, концентрация упруго-пластических деформаций наоборот, увеличивается. Концентрация напряжений и деформаций при упруго-пластических деформациях зависит от радиуса кривизны при отбортовке, размеров отверстия, толщины стенки, а также от величины номинальных напряжений и механических характеристик металла.

Сначала находим условные упругие максимальные напряжения ст"та* как произведение номинальных напряжений на упругий коэффициент концентрации напряжений стУтах=о-наг,. Далее в координатах напряжение - деформация строится зависимость 0гаахетах=02на2ст/Е. Точка пересечения этой кривой с кривой растяжения дает значение съ:« и £тах. Поделив значения отах и Етах на Он и 8» находим коэффициенты концентрации упруго-пластических напряжений и деформаций: 7<"а=сттаХ/стн и Кс=ет^1е». На коэффициент концентрации напряжений и деформаций существенно влияют параметры кривой деформационного упрочнения. С увеличением модуля упрочнения коэффициент концентрации напряжений увеличивается Ка, а коэффициент концентрации деформаций КЕ уменьшается. Зависимость /<",, от Къ при известном значении а,, описывается гиперболой.

Коэффициенты концентрации упругих напряжений. определяем по данным.полученными профессором Скопинским В.Н. и нами методом конечных элементов. Некоторые результаты расчетов даны на рис. 2 и 3.

Как видно, концентрация напряжений в соединениях накладного элемента с патрубком через' отбортовку значительно меньше чем и аналогичном соединении с пристыкованным патрубком. Это подчеркивает вывод

о целесообразности применения накладного элемента с отбортованным патрубком.

Таким образом получены формулы для определения коэффициентов концентрации упруго-пластических напряжений и деформаций, с помощью которых был проведен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния отбортованного участка накладного элемента.

Сравнивая напряженно-деформированное состояние накладных элементов с отбортованными патрубками и пристыкованными патрубками, можно сделать вывод, что максимальные напряжения в соединении накладного элемента с патрубком через отбортовку значительно меньше, чем в аналогичном соединении без отбортовки. Следует отметить, что максимальные напряжения при применении отбортовки патрубка, возникают вне зоны сварных швов, что способствует повышению работоспособности таких конструктивных соединений.

Рис.2 Зависимость коэффициента концентрации упруго-пластических напряжений К„ от геометрических параметров в цилиндрической накладке с отбортованным патрубком:

1-3 - r/R соответственно 0,5, 0,3 и 0,1; R/S=50; 4-6 - R/S=100. 50 и 20: rJr=0.3.

а) б)

Рис.3 Зависимость коэффициента концентрации упруго-пластических напряжений Ка от геометрических параметров: а - цилиндрическая накладка с пристыкованным патрубком; б - сферическая накладка с пристыкованным патрубком; I -11/8=20; 2 -11/8=40; 3 - Я/5=60.

Проведена сравнительная расчетная оценка долговечности корпуса сосуда с накладным элементом, имеющим отбортованный и пристыкованный патрубок. Расчет показал, что долговечность сосуда при применении накладного элемента с отбортованным патрубком примерно в два раза больше чем при использовании накладного элемента с пристыкованным патрубком.

В третьей главе рассмотрены вопросы определения технологических параметров процесса изготовления накладных элементов с отбортованными патрубками.

Технологические параметры подразделены на деформационные и силовые.

... 12

Оценка деформационных параметров (радиус кривизны отбортовки р, диаметр отверстия заготовки иотв, высота отбортовки Ь0, коэффициент отбортовки Котб и др.) базируется на данных по влиянию предварительных пластических деформаций на служебные характеристики сталей. В связи с этим в работе обобщены литературные данные-и проведены дополнительные исследования по определению взаимосвязи между степенью предварительной пластической деформацией и характеристиками, работоспособности деталей.

Как известно, предварительная пластическая деформация приводит к деформационному старению и охрупчиванию металла, что в некоторых случаях способствует к снижению работоспособности элементов конструкций.

Чем больше степень пластической деформации, тем выше плотность дислокаций. В результате отмечается сдвигообразование зерен металла, упругое искажение кристаллической решетки в окрестности линий скольжения, образование текстуры и уменьшение размеров зерен.

В результате предварительной деформации происходит повышение твердости, предела текучести и временного сопротивления металла. Рост прочностных характеристик после предварительной пластической деформации объясняется повышением плотности дислокаций и их блокированием атомами азота и углерода.

Предварительная пластическая деформация снижает- деформационные характеристики сталей вследствие уменьшения общего ресурса их пластичности. Относительное удлинение образца 5 снижается примерно на величину степени предварительной деформации е. Установлены (для сталей марок СтЗ и 16ГС) зависимости относительного удлинения § и сужения \\/ от степени предварительной деформации образцов.

Охрупчивающее воздействие на металл предварительной степени пластической деформации проявляется и на ударной вязкости. Нами проведены испытания предварительно деформированных образцов из стали

09Г2С на ударную вязкость по Шарпи (KCV). Испытания проводили при РАЗЛИЧНЫХ ТСМПСрЯТурЗХ Тцсп и степенях деформации. В условиях опыта, отмечается некоторое увеличение ударной вязкости KCV с ростом степени предварительной деформации примерно до значения е=1,5%. При £>1,5% ударная вязкость KCV заметно снижается. Отрицательная температура является дополнительным фактором, охрупчивающим металл. Для исследованных сталей параметр KCV коррелирует с характеристиками трещино-стойкости. Установлено, что для характеристики трещиностойкости Кс: Кс-C-jKCV . По данным опытов для низколегированных сталей (16ГС, 09Г2С): С-150.

Повышение прочностных свойств сталей после предварительной пластической деформации' способствует увеличению усталостной прочности элементов конструкций. Это в основном объясняется ростом предела прочности с увеличением деформации е. Например, по экспериментальным данным для стали марки СтЗ при £=0, ов~480МПа, а. при 8=10%, ств~620МПа. Соответствующие этим значениям сгв пределы усталости равны: <т-| = 192МПа и 248МПа. Таким образом, увеличение степени деформации е до 10% способствует росту предела усталости ал на 29%. Такой же прирост предела усталости при е=10% отмечается по данным И.А. Одинга для углеродистых сталей с содержанием углерода 0,24% и 0,27%.

Пластическая деформация повышает энергетический уровень металла, что в некоторых случаях способствует увеличению скорости коррозии (механохимическая коррозия). Как известно скорость коррозии 9 линейно зависит от степени пластической деформации s. Приложение напряжений к пластически деформированному металлу еще более увеличивает скорость коррозии в следующей зависимости (Э.М. Гутман, P.C. Зайнуллин): &=9о-(Кст-е+1 )exp(atpV/RT) , (1)

где оср-среднее напряжение; V- мольный обьем металла; Я и Т - универсальная газовая постоянная и абсолютная температура; 3<,- скорость коррозии при е=0 и а=0; кст-константа.

Далее рассмотрим методику определения пластических деформаций в металле отбортованного участка.

Полагается, что за пределами текучести металла связь между напряжениями и деформациями описывается степенной функцией сг=се", а и е-истинные напряжения и деформации; с и п- константа прочности и коэффициент деформационного упрочнения металла.

Величина коэффициента деформационного упрочнения п для большинства аппаратостроительных и трубных сталей, равна: п=0,15-г0,25. Как правило, более пластичные стали имеют большее значение параметра п. Значение п определяют по диаграммам растяжения образцов из данной стали. В результате обобщения экспериментальных данных установлена следующая зависимость коэффициента деформационного упрочнения п от отношения предела текучести сг к пределу прочности ст„ углеродистых и низколегированных сталей:

п=2-(1-сгт/сгв). (2)

Приближенно степень пластической деформации отбортованного участка определяется по формуле:

е=8/2р, (3)

где 5- толщина стенки патрубка; р- радиус кривизны отбортованного участка.

По найденному значению е находится напряжение а.

. Если известно значение допускаемой степени пластической деформации [е] при холодной отбортовке, то на основании формулы (3) находится допустимый радиус кривизны отбортованного участка:

[р]=8/2[е]. (4)

Если допустить, что [е]=5%, то:

[p]>10S. (5)

Считаем целесообразным значение [е] определять на основании известных зависимостей характеристик работоспособности от степени деформации е. При этом необходимо знать ограничения по характеристикам работоспособности. В зависимости от конкретных условий эксплуатации значение допустимых деформаций [е] может отличаться от 5%.

Диаметр отверстия в заготовке и высота отбортовки легко определяется из условия постоянства объема при пластической деформации. Для определения высоты отбортовки получена следующая формула: h0 = h + г + S = 0.5-(Do - d0TI) + 0.43-Г + 0.72-S. (6)

Диаметр отверстия в заготовке определяется по формуле

do'1B=(Do+r)-^-0+|-2-h. (7)

Коэффициент отбортовки Ku,g по определению равен отношению диаметра отверстия doTo к диаметру отвода Dn: Kor6=ci0re/Do. Параметр Когй непосредственно связан с предельной равномерной деформацией En (£в=п): •'

Котб=1-п. (8)

По заданному, значению Кс,тп представляется возможным определять геометрические параметры рассматриваемого отвода.

Если изготовление отвода производится в горячем состоянии, то в соответствующие формулы необходимо подставлять механические свойства металла заготовок при температуре конца отбортовки или гибки. Таким образом, в процессе отбортовки отверстий, в металле заготовки возникают пластические деформации. Условие развития деформаций при отбортовке в определенной степени зависят от качества и точности изготовления штамповой оснастки, наличия смазки, способа получения отверстия в заготовке'и многих других параметров. Ограничивающим фактором при отбортовке является разрушение кромки и о<1|шл»шше трещин. Ниже даны методы оценки силовых параметров.

Основными силовыми параметрами процесса получения накладных элементов являются усилие гибки заготовок (Зг; усилие отбортовки отверстия СЬтб.

Установлено, что усилие гибки заготовки зависит от размеров заготовки и отверстия, механических свойств металла и др.:

<Зг=(4-М|,)Юу=(12-\¥-С-(8Ю)л/(2+п) ^у, (9)

где \¥=((Ог<1„та) ^/б.

В процессе формовки-отбортовки отверстий за предельную нагрузку будем принимать то значение усилия, которое будет соответствовать достижению в наибольшем поперечном сечении заготовки критических напряжений Ок;>:

акр=Сп". (10)

Влияние трения между поверхностью заготовки и пуансоном учитывается коэффициентом К-гр, определяемым опытным путем.

Получена следующая формула для определения усилия отбортовки:

Ротб=Кч,-Л-(Оо^отв)-8-С-П" . (11)

Четвертая глава посвящена разработке конструкции и апробированию штамповой оснастки для изготовления накладных элементов с отбортованными патрубками.

Сконструированный штамп (рис. 4а) работает следующим образом. На съемник 6 с соосно расположенным отбортовочным пуансоном 5 устанавливается заготовка с предварительно, полученным отверстием. Торец отбортовочного пуансона 5 входит в отверстие и центрирует заготовку. Затем происходит отбортовка отверстия с одновременной гибкой заготовки. В момент соприкосновения матрицы 8 и заготовки со съемником 6 происходит окончательное изготовление накладки с отбортованным патрубком, форма которой полностью повторяет наружный контур съемника. При обратном ходе ползуна пресса осуществляется съем готового изделия, при помощи съемника 6 и выталкивателя 7.

Конфигурация рабочей части гибочного пуансона (рис. 46) должна соответствовать внутренней конфигурации штампуемого изделия, т.е. рабочая часть гибочного и отбортовочного пуансонов должна соответствовать внутренней конфигурации штампуемой накладки. Радиус закругления пуансона равен внешнему радиусу корпуса аппарата, сосуда или трубопровода. -

Размеры отбортовочного пуансона (рис. 4в) выбираются в зависимости от необходимого внутреннего диаметра отбортованного патрубка (Внар.п.): 01,1бп.=1Эпар.п - 2Б, (8-толщина стенки патрубка). Рабочая высота отбортовочного пуансона определяется конструктивно.

Размеры матрицы (рис. 4г) выбираются следующим образом. Радиус внутренней поверхности матрицы непосредственно участвует в процессе формообразования накладного элемента с отбортованным патрубком, поэтому внутренний диаметр матрицы под гибку равен наружному диаметру сферической части отвода.

Внутренний диаметр матрицы под отбортовку патрубка равен наружному диаметру отбортованного патрубка (при условии отбортовки без утонения стенки).

Глубина и высота матрицы выбираются конструктивно. Радиус закругления между гибочной и отбортовочной частью матрицы равен: Г=ЗБз:0,5=3,5 мм.

Гибочный и огбортовочный пуансон и матрица были изготовлены из стали Х12М. Это сталь повышенной износостойкости имеющий следующий химический состав: С= 1,45-1,65%; Ми=0,15-0,4%; 51=0,15-0.35%; Сг= 11.0-12,5%; У=0,15-0,3%; Мо=0,4-0,6%. Для обеспечения получения достаточной твердости, предела прочности и ударно» вязкости указанные детали подвергли термообработке (закалки+отпуск).

При помощи сконструированного штампа проведены экспериментальные исследования по оценке технологических параметров процесса п:;-гогопгни.: накладного элемента с отбортованным патрубком. Опытно-

промышленные исследования проводили на заготовках (СтЗ) двух типов: прямоугольной формы размерами (а=82мм., в=86мм., 3=1 мм) и круглой формы размерами (Омг.=94мм, Б=1мм). Важное значение имеет определение предельного размера диаметра отверстия в заготовке. Если это отверстие будет меньшего диаметра, то возможно радиальное разрушение материала или недопустимое утонение стенок изделия при отбортовке. При этом предельный коэффициент отбортовки К0тб должен определяться по формуле (8). Качественное выполнение отбортовки зависит, от способа получения отверстия под отбортовку, от чистоты среза деформируемой кромки. Отверстие может быть получено пробивкой, сверлением, фрезерованием, Первый способ более производительный, но допускает меньшую степень деформации при отбортовке из-за наклепа металла, заусенцев и микротрещин, второй и третий менее производительны, но допускают большую степень деформации. При наличии заусенцев по краю отверстия неизбежно образование трещин и разрывов. Необходимо отметить, что при отбортовке круглых отверстий на сферической поверхности для получения равновысокого борта отверстие следует выполнять овальным (с направлением большей оси овала вдоль продольной оси детали).

В обоих тинах заготовок были просверлены с последующей зачисткой, отверстия диаметрами: (1о=11, 12, 13, 14 мм. Затем заготовки последовательно были установлены в штампе и произведены испытания штамповой оснастки по получению накладных элементов с отбортованными патрубками. Следует отметить, что накладные элементы не имеющие рванин, трещин и других дефектов характерных для процесса штамповки и отбортовки отверстия, были получены из заготовок как прямоугольной так и круглой формы с диаметрами отверстия с10=13мм (данный размер от-' верстия был получен расчетным методом). Другие же заготовки имеющие отверстия меньшего диаметра ё0=11мм и 12мм имели рванины и трещины, больших размеров не позволяющие эксплуатировать данную деталь даже при условии отрезки участка патрубка имеющего эти дефекты.

IS

Рис.4 Штамп (а), гибочныи(б) и отбор"пжочный(в) пуансон, матрпца(| )

Заготовки же с диаметром отверстия с10=14мм при штамповке и отбортовке отверстия не давали должного результата (накладной элемент получался с патрубком малой высоты). Одним из основных технологических параметров получения накладных элементов с отбортованными патрубками является усилие необходимое для отбортовки отверстия. Усилия необходимые ■ ¡зготовления накладных элементов имели следующие значения: усилие гибки заготовки под внешний радиус был равен 0=190 кг, усилие отбортовки отверстия составил 0=350 кг. Усилие отбортовки отверстия 0 значительно зависит от константы прочности С и коэффициента деформационного упрочнения стали п. Расхождение расчитанных по формуле (11) и экспериментальных усилий не превышает 15%. В случае горячей отборовки все технологические расчеты проводят по механическим свойствам стали, при температуре конца отбортовки.

Таким образом, разработана конструкция штампа для получения накладных элементов повышенной работоспособности. Проведенные опытно - промышленные испытания штампа доказали обоснованность и достоверность полученных основных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные выводы и рекомендации по работе

1. Выполнен анализ напряженного состояния накладных элементов с отбортованными патрубками при упруго-пластических деформациях. Предложенные аналитические зависимости для определения коэффициентов концентрации упруго-пластических напряжений и деформаций позволяет оценивать характеристики работоспособности накладных элементов. На основе расчетной оценки показано, что малоцикловая долговечность накладного элемента с отбортованным патрубком при нагружении циклическим внутренним давлением может быть в два с лишним раза больше чем с пристыкованным патрубком.

2. На базе проведенного комплекса экспериментальных исследовании установлены основные закономерности изменения характеристики работоспо-

собности металла от степени деформаций отбортовки заготовок. В частности, показано, что характеристики трещиностойкости металла с увеличением степени деформации отбортовки могут изменяться по сложной кривой с максимумом. При е0>3>5% из-за деформационного старения отмечается снижение предела трещиностойкости низкоуглеродистых и низколегированных аппаратостроительных сталей.

3. Полученные и экспериментально подтвержденные формулы для определения технологических силовых и деформационных параметров позволяют рационально спроектировать производственный процесс изготовления накладных элементов с отбортованными патрубками.

4. Разработанная конструкция штампа позволяет получить накладные элементы за один ход пресса, что значительно снижает трудоемкость процесса изготовления накладки с отбортованным патрубком.

Список опубликованных работ.

1. Абдеев Р.Г., Сагинбаев Р.Х., Акшенцев И.А. Процесс производства днищ с отбортованными горловкнамн. Каталог научно-технических разработок. Уфа.: Изд-воУГНТУ, 1995.- с.83.

2. Абдеев Р.Г., Сагинбаев Р.Х. Контрольно-измерительная управляющая система соединений днищ с базовыми деталями нефтехимической аппаратуры. Республиканская научно-техническая конференция "Студентов, аспирантов и молодых ученых". Уфа.: 1995,- с. 132.

3. Абдеев Р.Г., Голубев.М.Н., Каримов М.Ш., Сагинбаев Р.Х., Арсланбиев Р.К. Исследования взаимной увязки функциональных допусков в соединениях днищ с базовыми деталями нефтехимической аппаратуры. Республиканская научно-техническая конференция ''Студентов, аспирантов и молодых ученых". Уфа.: 1995.-c.131.

4. Сагинбаев Р.Х.; Каримов М.Ш., Абдеев Р.Г. Повышение технологичности соединений базовых деталей нефтехимической аппарату ры. 2-я

Всероссийская научно-техническая конференция "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность". Уфа.: 1996.-е.141-142.

5. Каримов М.Ш., Сагинбаев Р.Х., Абдеев Р.Г. Проблемы взаимозаменяемости в соединениях базовых деталей нефтехимической аппаратуры. 2-я Всероссийская научно-техническая конференция "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность". Уфа.: 1996.-е.143-144.

6. Сагинбаев Р.Х., Бакиев A.B. Основные методы и технологические параметры отбортовки горловин, применяемых в нефтехимическом аппарато-строении. Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. Уфа.: 1997,- с.66-67.

7. Зайнуллин P.C., Сагинбаев Р.Х., Вахитов А.Г., Хаматдинов 3.3. Получение штампосварных отводов в действующих трубопроводах. Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. Уфа.: 1997,-с.117-123.

8. Зайнуллин P.C., Сагинбаев Р.Х. Получение штампосварных отводов. Информационный листок. АН РБ РНТИК "Баштехинформ". № 40-97. Уфа.: 1997.

9. Сагинбаев Р.Х., Бакиев A.B. Анализ напряженно-деформированного состояния при отбортовке отверстий. Материалы 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа.: 1997.-с.HO-HI.

10. "Промышленное освоение процесса изготовления горячештампованных днищ повышенной точности диаметром 3000мм" - отчет о НИР по договору ФНТР №12. Исполнители: Р.Г. Абдеев, Р.Г. Ризванов, Р.Х. Сагинбаев, M.LLL Каримов и др. Уфа.: 1996.

11. "Развитие теоретических положений теплопередачи в многокомпонентных смесях и выполнение формоизменяющих операций"- отчет о НИР по договору ГНТП № 5 АН РБ. Исполнители: Р.Г. Абдеев. Т.А. Бакиев, Р.Х. Сагинбаев и др. Уфа.: 1997.

12. Сагннбаев Р.Х. Накладки с отбортованными патрубками. Информационный листок АН РБ РНТИК "Баштехинформ" № 62-98. Уфа.: 1998.

13. Зайнуллин P.C., Сагинбаев Р.Х. Комбинированный штамп. Информационный листок АН РБ РНТИК "Баштехинформ" № 61-98. Уфа.: 1998.

14. Зайнуллин P.C., Сагийба:ев Р.Х. Технология изготовления накладных элементов с отбортованными патрубками. Уфа.: МНТЦ "БЭСТС", 1998. -100с.

15. Зайнуллин P.C., Сагинбаев Р.Х. Применение штампосварных накладок с отбортованными патрубками на действующих трубопроводах. М.: Химическое и нефтяное машиностроение № 8.1998.- с.37-38.

16. Зайнуллин P.C.. Сагинбаев Р.Х. Накладные элементы с отбортованными патрубками. СТП-98-5. Уфа.: 1998,- 25с.

Соискатель

Р.Х. Сагинбаев

Подписано в печать 13.11.98 г. Формат 60х84716. Бумага офсетная № 1. Гарнитура "Тайме". Печать на ризографе с оригинала-макета. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,19. Тираж 100 экз. Заказ № 583.

Отпечатано в издательско-полиграфическом комплексе при Секретариате Государственного Собрания Республики Башкортостан, г. Уфа-93, ул. Аксакова, 45. Лицензия на полиг. деят. Б 848010 от 04.04.96 г.

Уфимский государственный нефтяной технический университет

САГИНБАЕВ РУСТАМ ХАБИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПАТРУБКАМИ В АГРЕГАТАХ НЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.04.09.-Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих

и химических производств

Научный руководитель: профессор, д.т.н. Зайнуллин Р.С.

Уфа-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...............;.................................................................................... 4

I. ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ОТБОРТО-ЗАННЫМИ ПАТРУБКАМИ В АГРЕГАТАХ НЕФТЕГАЗОХИ-У1ИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ.................................................................... е

1.1. Конструктивно-технические решения соединения базовых дета-

1ей с патрубками............................................................................................. £

1.2. Изготовление базовых деталей нефтехимической аппаратуры с

этбортованными патрубками....,.................................................................... ^

1.3. Расчет основных параметров базовых деталей с патрубками......................................................................................................................

1.4. Присоединение отводов к действующему оборудованию.............

1.5. Цель и основные задачи исследования.......................................... ¿¡у

I; ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НАКЛАДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПАТРУБКАМИ........................................................................ 4<5

2.1. Современные методы исследования напряжений и деформаций .. ¿/8

2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния накладных элементов с патрубками................................................................................. $4

2.3. Определение коэффициентов концентрации упруго-шастических напряжений и деформаций...................................................... £/

2.4. Расчет технико-экономической эффективности применения накладных элементов с отбортованными патрубками..................................... 73

2.5. Выводы по главе 2........................................................................... 8Í

5. РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАКЛАДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ОТБОРТОВАННЫМИ ПАТРУБКАМИ.................................................................................................................. 82.

3.1. Напряженно-деформированное состояние................................... 82

3.2. Определение деформационных параметров................................. 87

3.3. Определение силовых параметров................................................................................................№О

3.4. Выводы по главе 3....................................................................................................................................................403

4. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ОПРОБИРОВАНИЕ ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАКЛАДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ОТБОРТОВАННЫМИ ПАТРУБКАМИ.....................................................

4.1. Конструкция штамповой оснастки.......................................................................................404

4.2. Натурные испытания по получению накладных элементов с отбортованными патрубками...........................................................................................................................................НО

4.3. Выводы по главе 4.........................:...................................................................................Ц9

Выводы по работе....................................................................................................^20

Литература........................................................!........................................................................421

Приложения...............................................................................................43 0

ВВЕДЕНИЕ

Одним из распространенных и тяжелонагруженных конструктивных элементов нефтегазоперерабатывающего

оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы) являются соединения в виде патрубков, приваренных к обечайке (трубе). Высокая концентрация напряжений в области стыка патрубка с обечайкой является одной из основных причин пониженной надежности таких конструктивных элементов.

Вариантами укрепления отверстий под патрубки являются: укрепление при помощи проходящего штуцера, укрепление отверстия отбортовкой, укрепление отверстия торообразной вставкой и др. С позиции уменьшения трудоемкости и металлоемкости целесообразнее применение отбортовки отверстия. При этом повышение работоспособности обеспечивается в основном за счет снижения степени концентрации напряжений.

В настоящей работе использован метод укрепления отверстий отбортовкой применительно к предложенной новой конструкции накладных элементов с патрубками. При применении предлагаемых накладных элементов с отбортованными патрубками отпадает необходимость использования пристыкованного патрубка и дальнейшего укрепления узла "корпус-патрубок" укрепляющим кольцом или другим усилительным элементом. Это значительно снизит трудоемкость и металлоемкость соединения, а также увеличит надежность и долговечность эксплуатации данной конструкции.

Предлагаемые в данной работе накладные элементы применимы и в трубопроводном транспорте, при возникновении необходимости врезки отвода на каком-то участке к действующему трубопроводу.

Для обоснования целесообразности применения накладных элементов с отбортованными патрубками были проведены необходимые исследования напряженно-деформированного состояния

элемента, определены основные технологические параметры изготовления данной детали, а также проведен сравнительный технико-экономический расчет.

Для изготовления накладных элементов с отбортованными патрубками сконструирован и изготовлен специальный штамп. Получены опытно-промышленные накладные элементы с отбортованными патрубками. Конструкция (чертежи) штампа передана в ГУП "Салаватнефтемаш".

. ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С )ТБОРТОВАННЫМИ ПАТРУБКАМИ В АГРЕГАТАХ 1ЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ .1 Конструктивно-технические решения соединения азовых деталей с патрубками

Корпуса нефтехимических аппаратов снабжаются необходимым оличеством штуцеров диаметром до 200 мм и более для подключения го к технологическим линиям, лазами-люками диаметром 250-700 мм, ля осмотра и ремонта аппарата, смотровыми окнами для наблюдения а технологическим процессом и т.д. Отверстия не только уменьшают есущую площадь материала корпуса, механически ослабляя онструкцию, но и вызывают высокую концентрацию напряжений в лизи края отверстия.

Как показывают экспериментальные замеры, максимальные апряжения быстро уменьшаются по мере удаления от края отверстия, ,е. прирост напряжений носит локальный характер. Таким образом, ри проектировании аппаратуры необходимо решать задачу о жжении повышенных напряжений в области отверстий до опускаемых значений за счет компенсации ослабления, вызванного аличием выреза.

Компенсация ослабления может производиться двумя способами:

1) увеличением толщины стенки всей оболочки исходя из аксимальных напряжений у края отверстия;

2) укреплением края отверстия добавочным материалом, юдимым по возможности ближе к месту распределения аксимальных напряжений. Первый способ применяется очень редко и г может быть признан рациональным, так как область повышенных шряжений незначительна и ограничивается диаметром [28].

, (1.1)

где ёя- расчетный диаметр отверстия;

Бя- расчетный диаметр оболочки;

Б - толщина стенки оболочки;

с - суммарная прибавка к расчетной толщине стенки оболочки.

По второму способу укрепление области отверстия можно производить одним из пяти вариантов, приведенных на рисунках 1.1..1.8.

С точки зрения структурного моделирования узел присоединения патрубка (штуцера, люка, горловины) к цилиндрической емкости представляет собой пересечение цилиндрических оболочек. Геометрические особенности пересекающихся оболочек обуславливают. возникновение значительной концентрации напряжений при действии эксплуатационных нагрузок в локальных областях [84], являющейся источником появления и развития пластических деформаций, усталостных трещин. Одним из направлений рационального проектирования таких конструктивных узлов является применение локального (местного) подкрепления, обеспечивающего снижение максимальных напряжений до допустимого уровня. Такими вариантами конструктивных схем узла сопряжения оболочек, обеспечивающих локальное подкрепление соединения являются: локальное монолитное или накладочное подкрепление одной или обеих оболочек; выполнение узла соединения оболочек с отбортовкой; применение пропущенного патрубка [86].

Каждый из этих способов обеспечивает снижение уровня максимальных напряжений по сравнению с напряжениями в

неподкрепленном соединении оболочек (за исключением соединений с пропущенным патрубком при 82<8, где Б^г-толщина стенки соответственно емкости и горловины). За счет подкрепления происходит перераспределение напряжений между двумя или тремя сопряженными оболочками. Каждый из этих конструктивных вариантов имеет технологические особенности, которые также могут оказать влияние на принятие конструктивного решения.

На основе анализа напряженного состояния рассматриваемых соединений и приведенных результатов можно отметить следующее: характер напряжений в опасных точках горловины и емкости несколько отличается. Наибольшими в оболочках являются окружные растягивающие напряжения на наружной поверхности. Однако вследствии того, что толщина горловины меньше толщины емкости, возникают значительные меридиональные изгибные напряжения в горловине. Поэтому в горловине опасными являются зоны как наружной поверхности, где в опасных точках имеет место двухосное растяжение, так и внутренней поверхности, где в опасных точках имеет •место смешанное напряженное состояние. Максимальная интенсивность напряжений в этих точках примерно одинакова. В связи с этим цель подкрепления- уменьшение окружных растягивающих напряжений в емкости (и горловине) за счет ослабления ее вырезом и снижение изгибных эффектов в горловине [86].

Применение накладочного подкрепления весьма эффективно в емкости; при этом существенно уменьшаются опасные окружные напряжения в обеих оболочках, но в горловине эффект подкрепления сказывается в гораздо меньшей степени, так как в этом случае доминируют меридиональные изгибные напряжения.

Рациональным является применение горловины толщиной $2>8. В этом случае заметно увеличивается подкрепляющее воздействие

горловины по контуру выреза емкости и снижаются изгибные напряжения в горловине за счет упругого взаимодействия оболочек в •области их пересечения.

Применение отбортовки в зоне сопряжения оболочек приводят к определенным изменениям напряженного состояния соединения [85]. Наибольшими являются окружные напряжения на внутренней поверхности отбортовки, возникающие примерно на ее середине. При этом максимальные напряжения в емкости снижаются почти в 1,5 раза. Максимальные напряжения возникают вне зоны сварного шва. Выгоднее применять отбортовку без утонения - снижение напряжений происходит в большей степени, чем увеличение металлоемкости.

Применение горловины с пропущенной внутрь емкости частью имеет свои особенности. В этом случае происходит перераспределение напряжений между тремя оболочками: основной (емкостью), внешней и внутренней частями горловины. Взаимодействие оболочек в зоне сопряжения обуславливает уменьшение окружных напряжений как в емкости, так и в горловине, но при этом увеличиваются меридиональные напряжения в наружной части горловины. При Б2<8 напряжения в патрубке становятся определяющими для конструкции в целом, при 82<8- превышают максимальные напряжения в неподкрепленном соединении. Таким образом, подкрепление таких соединений рассмотренным способом целесообразно применять при 52>8[86].

Из анализа можно сделать вывод об определенных преимуществах использования отбортовки (уменьшение максимальных напряжений на единицу дополнительного материала наибольшее), но при этом необходимо принимать во внимание технологические аспекты выполнения таких конструктивных соединений.

таблица 1.1 Максимальные напряжения [84]

Вариант Горловина Емкость А ш

СТв с»® СТв сгф

1 3 3,23 2 2,23 -

2 2,62 1,93 0,65 1,3 1,77

3 - - 1,28* 2,43* 0,38

4 3,5 2,7 1,21 2,7 0,25

5 1,78 2,53 1,83 2,53 0,55

6 - - 1,18* 2,22* 0,44

7 2,16 1,98 1,63 1,98 0,8

* Максимальные напряжения в отбортовке: меридиональные- на наружной поверхности, окружные-на внутренней поверхности.

1-неподкрепленное(исходное) состояние, Б2<8;

2- соединение (8г<8), подкрепленное кольцевой накладкой на емкости (8н=8, Ьн=-^!5);

3- соединение с торовой отбортовкой; толщина отбортовки изменяется по линейному закону 8о=82+(8-82) в, 0< б< 1, гт=2,58

4- соединение с пропущенной частью горловины (8г<8,11=0,251);

5-неподкрепленное соединение (82=8);

6- соединение с отбортовкой (82=8);

7- соединение с пропущенной частью горловины (82=8,11=0,251).

!

Рис. 1.1 Основная расчетная схема

соединения штуцера со стенкой сосуда

Рис. 1.2 Укрепление отверстий при наличии проходящего

штуцера

а-обечайка; б-днище

/

а) б)

1.3 Укрепление отверстия торообразной вставкой а-обечайка; б-днище

8) Р)

[С- * Наклонные штуцеры на обечайках

Рис. 1.5 Смещенный штуцер

на эллиптическом днище

Компенсация вырезанного сечения штуцером произвольной формы

Рис. 1.8 Укрепление отбортовкой а-обечайка; б-днище

1.2 Изготовление базовых деталей нефтехимической аппаратуры с отбортованными патрубками

Существуют различные технологии изготовления полых деталей типа днищ с отбортованными патрубками [1-12], они подразделяются на горячую и холодную, на штампуемые и штампосварные, изготавливаемые из одной цельной и нескольких деталей, за одну или несколько операций.

Изготовление подобных деталей производится последовательно за несколько операций: на первых переходах получают заготовку куполообразной формы с центральным наружным патрубком, формирование которого осуществляют с набором металла, а на последующих переходах формируют внутренний патрубок, перераспределяя металл по объему изделия, для чего производят разделку отверстий патрубка и его осадку [1].

Круглую заготовку вырезают из листа (см.рис.1.9), вытягивают через кольцевую матрицу куполообразную заготовку (см. рис. 1.10); в которой растачивают (или сверлят) центральное отверстие, и подрезают кромку (см. рис. 1.10), после этого производят продольный обжим куполообразной заготовки, совмещенной с отбортовкой •отверстия (см.рис.1.11), и местной обьемной штамповкой придают патрубку окончательную форму (см.рис.1.12).

Для снижения трудоемкости изготовления, уменьшения себестоимости изготовления используют заготовку с центральным отверстием, высота которой равна высоте патрубка изделия, причем сначала осуществляют ее объемное деформирование путем периферийной зоны, а затем производят вытяжку. Осадку периферийной зоны заготовки осуществляют либо разгонкой, либо секционной штамповкой [2].

Рис. 1.9

Рис. 1.10

i

i

i i

На рис.1.13 показана исходная заготовка; на рис. 1.14- заготовка после осадки ее периферийной части; на рис. 1.15- получаемое изделие.

Способ реализуется следующим образом.

Исходной заготовкой (см.рис.1.13) служит, например, поковка цилиндрической формы с центральным отверстием, причем высота заготовки равна высоте патрубка получаемого изделия (см.рис.1.15). Вначале осуществляют осадку периферийной зоны заготовки путем .секционной штамповки на универсальном прессе. Полученный полуфабрикат (см.рис.1.14) подвергают затем вытяжке в вытяжном штампе на универсальном листоштамповочном прессе.

Путем изготовления изделий с удлиненным патрубком, расширяют номенклатуру получаемых изделий при повышении экономичности процесса. Для этого после обьемного деформирования осуществляют формовку патрубка, в частности путем выдавливания[3].

На рис. 1.16 представлена исходная заготовка; на рис. 1.17-штампованная заготовка после разгонки; на рис. 1.18 - штампованная заготовка с выдавленным наружным патрубком; на рис 1.19-штампованная заготовка после операции вытяжки (готовое изделие).

Исходной заготовкой (см.рис.1.16) служит, например, поковка цилиндрической формы с центральным отверстием. Вначале осуществляют осадку периферийной зоны заготовки (см.рис. 1.17) путем раскатки и секционной штамповки на универсальном прессе. Далее осуществляют; выдавливание высокого наружного патрубка заготовки (см.рис.1 Л 8). Затем проводят вытяжку в вытяжном штампе на универсальном листоштамповочном прессе и получают готовое изделие (см.рис.1.19).

Способ, в котором после вытяжки производят выдавливание патрубков, так лее позволяет расширить номенклатуру получаемых изделий [4].

Рис.1.13

Z//////ZZZZj

Ptfc.1.15

■ Т.ТТГ Í - r?J JCIW4««M«MH ■

Рис.1.17

í

i

Рис. 1.18

На рис. 1.20 представлена исходная заготовка; на рис. 1.21 ишюванная заготовка после разгонки; на рис. 1.22-штампованная хговка после последующей вытяжки; на рис. 1.23- штампованная уговка с выдавленным наружным патрубком (готовое изделие).

Исходной заготовкой (см.рис.1.20) служит, например, поковка пиндрической формы с центральным отверстием. Вначале ществляют осадку периферийной зоны заготовки путем разгонки на [версальном ковочном оборудовании, либо полуфабрикат .рис. 1.21) подвергают вытяжке в вытяжном штампе на [версальном листоштамповочном прессе и получают заготовку .рис. 1.22). Затем с целью получения полукорпуса с удлиненным »ужным патрубком проводят выдавливание загот