автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов судовых трубопроводов

На правах рукописи

ВАКУЛОВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНТАЖА СИЛЬФОННЫХ СДВИГО-ПОВОРОТНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 ДЕН 2012

Санкт-Петербург 2012

005047384

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре «Технология судового машиностроения».

Научный руководитель Доктор технических наук, старший научный

сотрудник А.Я.Розинов.

Официальные оппоненты Доктор технических наук, старший научный

сотрудник Н.И.Герасимов, главный научный сотрудник ОАО "Центр технологии судостроения и судоремонта", г.Санкт-Петербург. Кандидат технических наук, доцент В.А.Рогозин, главный технолог ОАО «Адмиралтейские верфи», г. Санкт-Петербург.

Ведущая организация ОАО «Адмиралтейские верфи», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «11» декабря 2012 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д.212.228.05 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.З, аудитория А -313

Автореферат разослан « 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^ кандидат технических наук, доцент

А.Н.Муравьев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы С целью снижения напряженного состояния судовых трубопроводов в их составе традиционно используют сильфонные компенсаторы. Практика показывает, что применяемая технология монтажа сильфонных компенсаторов характеризуется выполнением пригоночных работ, связанных с установкой забойных участков труб. Это приводит к существенным трудозатратам, повышению расхода материалов и ресурсов, а также применению дополнительных средств технологического оснащения.

Установлено, что решение указанной проблемы путем многовариантного проектирования или экспериментального подбора сильфонных компенсаторов с различными вариантами разгрузочных устройств удовлетворительных результатов не дает, ибо в этом случае необходимы исследования кинематического деформирования составляющих компонентов компенсаторов и исследования путей их использования, как средства компенсации технологических погрешностей.

В связи с изложенным, исследованиям деформированности сильфонных компенсаторов, анализу их собираемости, совершенствованию технологии монтажа, а также оценке технико-экономической эффективности полученных решений посвящена настоящая диссертация.

Объект исследования Сильфонные сдвиго-поворотные компенсаторы и технология их монтажа.

Цель работы Повышение технико-экономической эффективности технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Исследование деформированного состояния существующих сильфонных компенсаторов и разгрузочных устройств.

2. Конструктивно-технологическое изменение разгрузочного устройства сдвиго-поворотных компенсаторов и определение аналитической модели его деформирования.

3. Определение расчетной схемы и геометрических параметров конструктивно измененного разгрузочного устройства, выполнение аналитической и экспериментальной оценки функциональных показателей сдвиго-поворотных компенсаторов с таким устройством.

4. Проведение размерно-технологического анализа собираемости и монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством.

5. Разработка технологии изготовления и монтажа сдвиго-поворотных сильфонных компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством.

6. Оценка технико-экономической эффективности совершенствования технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов.

Методы исследования Основаны на положениях теории упругости и пластичности панелей и оболочек, а также положениях упруго-пластического изгиба стержней и балок. При этом использованы методы теории вероятности и статистической оценки полученных результатов.

Новые научные результаты, полученные лично автором в процессе аналитических и экспериментальных исследований:

1. Разработана аналитическая модель деформирования и метод расчета параметров конструктивно-технологического изменения разгрузочного устройства.

2. Разработан метод проведения размерно-технологического анализа собираемости и монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов с исключением пригоночных работ.

Практическая значимость заключается в следующем:

1. Разработана новая технология изготовления и монтажа сильфонных компенсаторов, обеспечивающая сокращение пригоночных работ. Для практической реализации эта технология регламентирована выпущенной инструкцией ИЯНШ 25290.160724.

2. Предложено принципиально новое конструктивно-технологическое решение сдвиго-поворотных сильфонных компенсаторов с измененным разгрузочным устройством, защищенное полученным патентом № 2293902. На этой основе выполнено проектирование и изготовление нового типа сдвиго-поворотных компенсаторов судовых трубопроводов, стандартизированных техническими условиями ИЯНШ.300260.031 ТУ.

Апробация работы Основные положения и результаты доложены и получили положительную оценку:

- на отраслевом совещании главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, г. Кириши, 2006г.;

- на второй Российской научно-практической конференции судостроителей «Единение науки и практики-2010», г. Санкт-Петербург, 2010г.

Реализация результатов выполненной диссертационной работы осуществлена на ОАО «Судостроительный завод «Северная верфь».

Публикации По теме диссертации опубликованы 10 научно-технических работ, в составе которых 6 лично, остальные в соавторстве, где доля автора диссертации 50%. При этом в изданиях, рекомендуемых ВАК, опубликованы 3 научных статьи, из них 1 - лично и 2 - в соавторстве, где доля автора диссертации 50%.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и четырех глав с основными выводами, заключения, списка использованных литературных источников. Основное содержание работы включает 159 машинописных страниц, 48 рисунков, 12 таблиц и список использованных литературных источников из 80 наименований.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и необходимость ее разработки путем проведения комплекса аналитических и экспериментальных исследований.

Глава I. Исследование выполненных разработок по совершенствованию сильфонных компенсаторов, анализ применяемой технологии их изготовления и монтажа, определение цели и постановка задач диссертационной разработки содержит типизацию существующих сильфонных компенсаторов, а также анализ теоретических и экспериментальных разработок М.В.Гокуна, Г.Е.Зверкова, В.И.Королева, В.Н.Федосьева, А.Н.Дьяченко, Л.Е.Андреевой, Л.Д.Луганцева, В.И.Кулухова и др., выполненных с целью совершенствования гофрированных сильфонов различных компенсаторов. Наряду с этим рассмотрены разработки новых конструктивных решений разгрузочных устройств сдвиго-поворотных сильфонных компенсаторов и выполнен анализ применяемой технологии изготовления и монтажа сильфонных компенсаторов. Определены цель и задачи диссертации.

Глава II. Аналитическое исследование деформированного состояния сильфонных компенсаторов, а также существующих и конструктивно измененного разгрузочных устройств этих компенсаторов. Для аналитического исследования деформированного состояния сильфонных компенсаторов под действием поперечной и изгибающей нагрузок их сильфон моделирован в виде балки, состоящей из отдельных упругих элементов (гофров). Указанная балка загружена по концам поперечными и разнонаправленными усилиями внутреннего давления Р, а также

РТ

необходимыми для равновесия изгибающими моментами г"' (рис. 1.).

■ — ^

-—---

1'1о

Рис. 1. Имитация сильфона в виде балки При выполнении исследования деформирования сильфона учтено, что в любом сечении балки, изображенной на рис. 1, действует перерезывающая сила, равная Р, и изгибающий момент М = Рх. Соответственно этому, перемещения гофров сильфона при сдвиге и повороте рассмотрены раздельно:

от действия усилия Р, создающего моменты и изгиба моментом Рх. С

учетом этого, перемещения от действия указанного изгибающего момента

приняты в виде А(р = ¿<>М и Ли=рм, а от изгиба усилием Р и моментом

Р1,

виде Л(р = 0 и Ли = - уР.

В результате, при длине каждого I гофра / и расстоянии между гофрами X, поворот (р и смещение и, сечений сильфона выражены соотношениями:

<Рг<Р,> и, = Ш+(р.} (1)

Наряду с этим в сечении Х|+1 поворот и смещение представлены:

(р^ = (р+А(р-, им = <р,х+Ш, (2)

Повороты остальных сечений сильфона определены в виде: <Рг = А<Р, <р, = А(р+А(р2

(р=А(р+А(рг + А(р} (3)

<р=А<р+ А<р2 + А<р, + А<рл

Смещения остальных сечений сильфона приняты:

СА=ДС/.+Др,/;

£/4 = Д£/, + ДС/2 + Д£/, + Д^(2/ +2х)

и 5 = А11 ^ Аи 2+Аи,+А1/<+А<р,(з1 +3х+2)

2/ +2х +2 1 +

л I

Анализ деформирования традиционных разгрузочных устройств осуществлен на основе кинематической схемы этих устройств (рис. 2).

---

МТР+»,1.

Рис. 2. Кинематическая схема традиционного разгрузочного устройства в работающем (а) и покойном (б) положениях

Согласно схеме (рис. 2) перемещения Асд представлены как результат суммарного действия давления Рр рабочей среды на площадь внутренней поверхности сильфона Г компенсатора и усилий сдвига Р, перемещающих разгрузочное устройство, которое также подвергается воздействию момента возникающих сил трения Мтр и растягивающего усилия Т = Р-Рр.

Соответственно этому численное значение усилия Р определено равенствами вида:

Р =

2Mrr+L si na,

(5)

Р =Р,+

Ar.T

(6)

L cosa, L

На основе расчетов по равенствам (5) и (6) построен график изменения величины сдвига Дсд и момента трения Мтр при действии усилия Р (рис. 3).

Р,кН 1.6 1.4

1.2 1.0 0.8 0.6 0.4

2

1

0 2 4 6

Ю 12 14 16 18 20 22 24

Дед.,«

Рис. 3. Изменение характеристик сдвига разгрузочного устройства при МТР = 0 (1) и М-рр ф 0 (2)

Данными графика (рис. 3) установлено, что усилие Р существенно снижается при уменьшении сил трения в шарнирах разгрузочных устройств. С учетом данных графика рис. 3 разработана новая модель сдвиго-поворотного компенсатора (рис. 4) с конструктивно измененным разгрузочным устройством, исключающим применение шарниров.

Для разработки модели деформирования конструктивно измененного разгрузочного устройства, представленного в виде упругого стержня, использована классическая теория совместного изгиба и растяжения балок в условиях упруго-пластического состояния.

Рис. 4. Модель сдвигово-поворотного сильфонного компенсатора с конструктивно измененным разгрузочным устройством в виде центрально расположенного упругого стержня. Где: 1 - упругий стержень; 2 - концевые патрубки сильфона; 3 - концевые втулки упругого стержня; 4 - радиальные ребра жесткости; 5 - гофрированный сильфон.

Соответственно этому принято, что напряженное состояние в каждом сечении упругого стержня разгрузочного устройства определяется действием изгибающего момента М, продольного растягивающего усилия Т и перерезывающей силы N. При этом совместное действие момента М и усилия Т уравновешивается возникающими нормальными напряжениями с, а действие силы ./V—касательными напряжениями г.

В основу аналитических исследований процесса образования нормальных напряжений а положена гипотеза плоских сечений, формула которой выражена в виде:

£ = кг (7)

где 8 - относительное удлинение рассматриваемого волокна изогнутого упругого стержня; К - кривизна деформированной оси; Ъ - отстояние рассматриваемого волокна поперечного сечения от нейтральной оси.

С учетом значения пределов прочности а0 и текучести т0 условия деформирования упругого стержня разгрузочного устройства сформулированы согласно положениям Сен-Венана и Мизеса следующим образом:

(8)

Соответственно этому напряженное состояние упругого стержня определено выражением:

f ^ 2 ( \ 2

<7 + т_ = 1

(То)

(м 2 fiVS ]

J F Л

СГо + Го

\ \ У

-1 = 0

(9)

где 3 - момент инерции поперечного сечения стержня; 2 - расстояние напряженной точки от нейтральной оси; Р - площадь поперечного сечения стержня; Ъ — щирина поперечного сечения упругого стержня.

Выражением (9) определена ситуация наибольшего нагружения крайних волокон поперечного сечения упругого стержня разгрузочного устройства, где нормальные напряжения а имеют наибольшую величину, или наиболее нагруженных волокон поперечного сечения, расположенных вблизи нейтральной оси, где касательные напряжения т достигают максимума. На основе этого модель деформирования упругого стержня разгрузочного устройства с учетом образующихся нормальных а и касательных т напряжений представлена уравнениями вида:

Ж

м _ Г

a=~Tz+T

(10)

г =

Jb

(И)

Глава III. Расчет геометрических параметров конструктивно измененного разгрузочного устройства, исследование функциональных показателей и проведение размерно-технологического анализа собираемости и монтажа сдвиго-поворотных сильфонных компенсаторов с этим устройством. С целью определения расчетной схемы и геометрических

параметров конструктивно измененного разгрузочного устройства, а также с учетом модели его деформирования, регламентированной уравнениями (10) и (11), упругий стержень разгрузочного устройства рассмотрен состоящим из двух одинаковых половин, каждая из которых представляет балку, упруго защемленную с одного конца и свободную на другом конце. Упругое защемление моделировано соответственно закреплению концов упругого стержня разгрузочного устройства в патрубках сильфона с использованием радиальных ребер. С целью анализа условий сдвига и поворота упругого стержня разгрузочного устройства рассмотрены два варианта (рис. 5) загрузки свободных концов указанных выше консольных балок:

- первый вариант (имитация сдвига), свободный конец консоли загружен поперечно приложенным усилием Р и продольно, действующим усилием Т;

- второй вариант (имитация поворота), свободный конец консоли загружен изгибающим моментом М и продольно действующим усилием Т.

т

х =1

х = 0

а

М

х=1

х = 0

О

Рис. 5. Варианты имитации загрузки выделенных половин упругого стержня при его сдвиге (а) и повороте (б)

Учтено, что при совместном действии изгибающего момента М, продольного растягивающего усилия Т и поперечно действующего распорного усилия Р упругий стержень разгрузочного устройства подвергается сложному продольно-поперечному изгибу, при котором величина образующихся нормальных напряжений а оказывается непропорциональной приложенным нагрузкам. В таких условиях действие продольного усилия обеспечивает снижение нормальных напряжений а и уменьшение прогибов, возникающих

при одновременном действии поперечных и продольных нагрузок. Величина таких прогибов оценена по приближенной формуле вида:

О = -^4 (12)

1+а

где о„ - наибольший прогиб от действия поперечного усилия и возникающего при этом изгибающего момента от действия продольного усилия с эксцентриситетом его приложения;

а - коэффициент, отражающий отношение величины продольного усилия к величине Ркр, определяемой по формуле Эйлера с учетом формы поперечного сечения упругого стержня.

Соответственно величине эксцентриситета е и прогиба и0 суммарный изгибающий момент Му принят соответствующим выражению:

М, = М ^Т е+~т (13)

Для расчета возникающих нормальных напряжений сдвига и изгиба использованы табулированные решения, пригодные для балок, представленных на рис. 5. Согласно данным табулированных схем, при расчете нормальных напряжений сдвига величина изгибающего момента принята соответствующей выражению:

Ряккх

Согласно схеме нагрузки, вызывающей поворот, для расчета нормальных напряжений, использовано выражение изгибающего момента в виде:

М,„,„,,„„„ = с/г к (/—х) (15)

В выражениях (14) и (15) с учетом модуля упругости Е и момента инерции J поперечного сечения упругого стержня использован критерий, выражение которого соответствует:

Согласно приведенным расчетным схемам (рис. 5а и рис. 56) построена модель 30 упругого стержня и выполнен расчет напряженного состояния упругого стержня разгрузочного устройства методом конечных элементов в среде АШУБ.

В судостроении применяют сдвиго-поворотные сильфонные компенсаторы с условным диаметром в диапазоне от 65 мм до 500 мм, рассчитанные на давление проходящих по ним сред равное от 0,25 МПа до 1,0 МПа. Соответственно этому, для расчета параметров рассмотрен упругий стержень разгрузочного устройства диаметром 20 мм из стали 60С2А с параметрами о01 = 1960 МПа; ов = 2160 МПа; НЯСЭ = 45-50 и длиной 480 мм. При этом распорное усилие принято соответствующим 253000 Н, сдвиговые перемещения равными 10 мм и перемещения поворота равным 5 градусам. Расчетное напряженно-деформированное состояние упругого стержня под действием указанной распорной нагрузки представлено на рис. 6.

Рис. 6. Напряженно-деформированное состояние упругого стержня

Данными анализа напряженно-деформированного состояния, представленного на рис. 6, установлено, что наибольшие напряжения генерируются на концах упругого стержня, где они превосходят допустимые в два раза.

С целью рационального перераспределения возникающих напряжений по всей длине упругого стержня, выбрана его новая конструктивно-технологическая форма, соответствующая балке переменного сечения (рис. 7).

Рис. 7. Новая конструктивно-технологическая форма упругого стержня

Расчеты напряженного-деформированного состояния переменного по сечению упругого стержня показали, что в этом случае эквивалентные напряжения симметрично распределяются по всей длине упругого стержня, что позволяет уменьшить их максимальные значения более чем в два раза (рис. 8).

Рис. 8. Напряженно-деформированное состояние переменного по сечению упругого стержня

С целью определения влияния конструктивно-технологического изменения разгрузочного устройства, расположенного внутри гофрированного сильфона сдвиго-поворотных компенсаторов, на характер истечения через эти компенсаторы газов и жидкостей, методом конечных элементов в среде выполнено аналитическое исследование потерь давления потока указанных сред. Графическое выражение численного изменения потерь давления, представленного эпюрами, одна из которых приведена на рис. 9.

Эпюра нот*]ш кап ори

Prassttra ~ :

Contour 1 .:... щ ?.9И?е-|Ю4 ■ :«57вЛМ : - 1.936в*004:" ! t.415e«O04 | > 6.93SO-003

иттз

, -f ,«83<И»3 ■<j «Ое-ООЗ

■ ■ I. •

-2332е*Ш

к

[#<а]

€:

Щюеооилигя среОа - Отельног топливо Скорость среоы. Уср - S ме Цпелснне среды, Рср - 10 Па (10 к,-см ) Поток на ехаас - турбулентный

Рис. 9. Эпюра потерь давления в районе расположения конструктивно измененного разгрузочного устройства

Данными построенных эпюр установлено, что величина наибольших потерь давления потока сжатого воздуха составляет 0,25%, потока воды - 3,5% и потока дизельного топлива - до 3%.

Путем экспериментальных исследований выполнена оценка функциональных показателей сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов с традиционным и конструктивно-измененным разгрузочным устройством. Такая оценка осуществлена путем испытаний этих компенсаторов на сдвиг и изгиб. Результаты испытаний представлены рис. 10 и 11.

Рис. 10. Изменение показателей сдвига сильфонных компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством

Сравнением данных, представленных на рис. 10 и 11, с результатами проведенных испытаний на сдвиг и изгиб сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов, имеющих традиционное разгрузочное устройство, установлено, что конструктивно-технологическое изменение разгрузочного устройства обеспечивает сильфонным компенсаторам на 20-25% большее повышение их гибкости. Это способствует эффективности их монтажа в составе формируемых судовых трубопроводов.

компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством

Наряду с указанным проведен размерно-технологический анализ собираемости и монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством. Этот анализ выполнен на основе построения двух сборочных размерных цепей. В качестве замыкающего звена первой размерной цепи выбрана величина технологически необходимого изменения строительной длины сильфонного компенсатора АГ. Замыкающего звена второй цепи - величина технологически необходимого сдвига с поворотом фланцев компенсатора - АД, вызванная пространственным отклонением фланцев смежных участков трубопроводов от заданного проектом.

Первая сборочная размерная цепь представлена следующим образом:

АГ = Г, + Г2-Г3 + (р1+д>2 (17)

где ГI - величина промежутка между фланцами смежных труб по оси трубопровода, необходимого для монтажа сильфонного компенсатора на штатном месте; Г2 - технологические необходимое изменение строительной длины сильфонного сдвиго-поворотного компенсатора; Г3 - исходная длина исполь-

зуемого сильфонного сдвиго-поворотного компенсатора; <р¡, <р2- непараллельность фланцев сильфонного сдвиго-поворотного компенсатора и фланцев смежных с компенсатором участков судового трубопровода.

Вторая сборочная размерная цепь представлена в виде:

АД=Д,+Д2+Д3 + е,(Д2+Д3)+£2Г3 (18)

где Д1 - расстояние между осями смежных труб в направлении поперечном оси трубопровода в пределах промежутка, где должен располагаться устанавливаемый сильфонный компенсатор; Д2, Д3 - поперечное смещение осей каждой из смежных с компенсатором труб по отношению к оси трубопровода; £/ - непараллельность фланцев смежных труб по отношению друг к другу; е2 - величина технологически необходимого взаимного поперечного смещения и поворота фланцев сильфонного сдвиго-поворотного компенсатора, вызванных смещением осей смежных с компенсатором труб по отношению к оси трубопровода.

Входящие в состав формул (17) и (18) составляющие вида Д2, ДЗ, <р1, <р2, е1 и е2 представляют технологические погрешности. Их численные значения установлены путем информационного поиска и анализа данных ранее проведенных исследований.

С учетом выполненных установленных значений погрешностей расчетов по формулам (17) и (18) определено, что для осуществления монтажа сдвиго-поворотных компенсаторов, исключающих необходимость проведения пригоночных работ, их гофрированные сильфоны должны быть деформированы по длине на 8-10% и изогнуты с поворотом соединительных фланцев на 6-7%.

Результатами расчетов по формулам (3), (4), (10) и (11) установлено, что при указанных деформациях сильфонов в конструктивно измененном разгрузочном устройстве возникнут нормальные и касательные напряжения, величина которых не превысит допускаемых пределов.

Наряду с этим, согласно проведенному размерно-технологическому анализу, определено, что несмотря на возможное наличие искажений цилиндрической поверхности сильфонов, а также непараллельности фланцев монтируемых сдвиго-поворотных компенсаторов и фланцев смежных с ними труб, обеспечивается установленная нормативами величина прилегания этих фланцев, необходимая для сборки монтажных соединений без выполнения пригоночных работ, связанных с установкой забойных участков труб.

Глава IV. Разработка технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов с применением конструктивно измененного разгрузочного устройства и определение технико-экономической эффективности её применения содержит новую технологию сборки гофрированных сильфонов и установки в них предварительно изготовленных частей конструктивно измененного разгрузочного устройства, а также усовершенствованную технологию монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов без необходимости проведения пригоночных работ. Эта технология регламентирована инструкцией ИЯНШ 25290.160724.

С учетом сокращения трудозатрат пригоночных работ, уменьшения материалов, ресурсов и применяемых средств технологического обеспечения, а также изменения количественного состава сильфонных компенсаторов выполнены расчеты технико-экономической эффективности. Данными выполненных расчетов установлено, что указанное обеспечивает возможность получения технико-экономического эффекта в сумме до 500000 руб. при постройке транспортных и промысловых судов, а также технико-экономического эффекта в сумме до 4000000 руб. при постройке надводных кораблей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Аналитически доказано, что необходимость выполнения пригоночных работ при существующей технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов вызвана не только наличием технологических погрешностей соединяемых трубопроводов, но также существенным сопротивлением изгибу указанных компенсаторов из-за наличия значительных сил трения в шарнирах их разгрузочных устройств.

2. С целью повышения функциональной гибкости сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов путем исключения пар трения предложен новый конструктивно-технологический вариант сильфонного компенсатора с разгрузочным устройством, представляющим упругий стержень, расположенный по оси гофрированного сильфона компенсатора и соединенный с его патрубками при помощи радиальных ребер и приваренных к ребрам втулок с резьбой разного направления, что защищено полученным патентом № 2293902.

3. Доказано, что с учетом действия растягивающего усилия Т, изгибающего момента М и перерезывающей силы Ы, а также закона распределения нормальных а и касательных напряжений г по площади поперечного сечения Е упругого стержня, модель его деформирования в точках, отстоящих на расстоянии г от оси разгрузочного устройства, характеризуется с учетом момента инерции J, статического момента 5 и ширины сечения Ь разгрузочного стержня, уравнениями вида:

-М_2 , т . ля

3 " Г "Л

4. Разработана новая методика, согласно которой расчет геометрических параметров конструктивно измененного разгрузочного устройства может быть осуществлен на основе модели изгиба упруго-защемленной консольной балки длиной / под действием поперечного усилия Р и изгибающего момента М при эксцентриситете е приложения продольного

усилия Т, создающего дополнительный прогиб 11 0, что учитывается моментами, выраженными гиперболическими функциями вида:

р М^Т-е^гЩ

Рзпкх ,, 1+а

= тгт- и М

ксккх """""""" сИ И

5. Методом конечных элементов аналитически осуществлено исследование напряженно-деформированного состояния при функционировании конструктивно измененного разгрузочного устройства и влияния наличия этого устройства внутри гофрированного сильфона на величину потерь давления проходящих через компенсатор газа и жидкостей, в результате чего доказана симметричность напряженного состояния упругого стержня разгрузочного устройства и незначительность потерь давления сжатого воздуха (0,25%), воды (3,5%) и дизельного топлива (3%), проходящих через гофрированный сильфон компенсаторов.

6. Выполненным размерно-технологическим анализом собираемости и монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов доказано, что при наличии существующих технологических отклонений концов труб, соединяемых с компенсатором и возможных несовпадений плоскостей их фланцев с плоскостями фланцев устанавливаемых на штатное место сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов, совершенствование технологии монтажа таких компенсаторов реально осуществимо без необходимости проведения пригоночных работ.

7. Разработанной новой технологией сборки гофрированных сильфонов сдвиго-поворотных компенсаторов определена последовательность установки внутри этих сильфонов конструктивно измененного разгрузочного устройства, наряду с этим определен порядок монтажа изготовленных сдвиго-поворотных компенсаторов на штатном месте в составе формируемых трубопроводов без пригоночных работ, связанных с применением забойных труб, за счет изменения строительной длины и изгиба сдвиго-поворотных компенсаторов.

8. Определено, что совершенствование технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов сокращает трудозатраты, ведет к уменьшению расхода материалов и энергоресурсов, а также к исключению средств технологического оснащения, кроме того конструктивное изменение разгрузочного устройства, расширяющее функциональные возможности сдвиго-поворотных компенсаторов, позволяет уменьшить номенклатуру и количество применяемых компенсаторов с традиционным разгрузочным устройством, что обеспечивает технико-экономического эффекта в сумме 500000 руб. на одно транспортное или промысловое судно, а также технико-экономический эффект в сумме 4000000 руб. на один надводный корабль.

Список опубликованных работ в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Вакулов П.С., Анухин В.И., Логунов В.В. «Основные направления в совершенствовании сильфонных компенсаторов», Судостроение, №1, с. 46-48, 2007 (доля автора диссертации 50%).

2. Вакулов П.С., Розинов А.Я. «Состояние и пути развития исследовательских и опытно-конструкторских разработок сильфонных компенсаторов», Судостроение, №6, с. 45-47, 2010 (доля автора диссертации 50%).

3. Вакулов П.С. «Конструктивная модернизация и расчетная оценка напряженного состояния разгрузочных элементов сильфонных компенсаторов», Судостроение, №1, с. 40-42,2011 (автор-100%).

В других изданиях:

4 Вакулов П.С., Каравайченко М.Г., Остахов A.B., Предко Е.М., Анухин В.И. «Компенсатор сдвиго-поворотных перемещений», патент на изобретение № 2293902, приоритет изобретения 8.04.2005г., бюллетень патентов и полезных моделей, №5, 2007 (доля автора диссертации 50%).

5 Вакулов П.С. «Повышение эксплуатационных возможностей сдвиго-поворотных сильфонных компенсаторов», Вестник технологии судостроения и судоремонта, №18, с. 91-94, 2010 (автор-100%).

6 Вакулов П.С. «Аналитические модели силового действия различных конструктивно-технологических схем разгрузочных устройств сильфонных компенсаторов», Вестник технологии судостроения и судоремонта, №18, с. 94-96, 2010 (автор-100%).

7 Вакулов П.С. «Анализ эксплуатационного деформирования сильфонных компенсаторов и выбор эффективного для них разгрузочного устройства», депонировано ВИНИТИ 29.04.2011, №205-В2011 (автор-100%).

8 Вакулов П.С. «Определение модели деформирования конструктивно измененного разгрузочного устройства при монтаже сильфонных компенсаторов с применением этого устройства», депонировано ВИНИТИ 1.12.2011,№521-В2011 (автор-100%).

9 Вакулов П.С., Розинов А.Я. «Проведение размерно-технологического анализа собираемости и монтажа сдвиго-поворотных сильфонных компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством», депонировано ВИНИТИ 22.03.12, №105-В2012 (доля автора диссертации 50%).

10 Вакулов П.С. «Технико-экономическая эффективность совершенствования технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов», депонировано ВИНИТИ 18.06.12, № 279-В2012 (автор-100%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 01.11.2012. Зак. 4423. Тир.70. 1,2 печ. л.

Введение.

ГЛАВА 1. Исследование выполненных разработок по совершенствованию сильфонных компенсаторов, анализ применяемой технологии их изготовления и монтажа, определение цели и постановка задач диссертационной разработки.

1.1 Исследование конструктивно-технологических особенностей сильфонных компенсаторов и выполненных аналитических разработок по их совершенствованию.

1.2 Исследование конструктивно-технологических особенностей разгрузочных устройств сильфонных компенсаторов и существующих разработок по изменению конструкции этих устройств.

1.3 Анализ применяемой технологии изготовления и монтажа сильфонных компенсаторов, определение цели и постановка задач диссертационной разработки.

ГЛАВА II. Аналитическое исследование деформированного состояния сильфонных компенсаторов, а также существующих и конструктивно измененного разгрузочных устройств этих компенсаторов.

2.1 Исследование деформированного состояния сильфонных компенсаторов при поперечной и изгибающей нагрузках.

2.2 Исследование кинематический схемы и деформирования существующих разгрузочных устройств.

2.3 Конструктивно-технологическое изменение разгрузочного устройства и определение аналитической модели его деформирования.

Выводы по второй главе.

Глава III. Расчет геометрических параметров конструктивно измененного разгрузочного устройства, исследование функциональных показателей и проведение размерно-технологического анализа собираемости и монтажа сдвигоповоротных сильфонных компенсаторов с этим устройством.

3.1 Определение расчетной схемы и геометрических параметров конструктивно измененного разгрузочного устройства

3.2 Аналитическое и экспериментальное исследование функциональных показателей сдвиго-поворотных компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством.

3.3 Проведение размерно-технологического анализа собираемости и монтажа сдвиго-поворотных сильфонных компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством.

Выводы по третьей главе.

Глава IV. Разработка технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов с применением конструктивно измененного разгрузочного устройства и определение технико-экономической эффективности её применения.

4.1 Разработка технологии сборки и монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов с применением конструктивно измененного разгрузочного устройства.

4.2 Определение технико-экономической эффективности применения усовершенствованной технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов судовых трубопроводов.

Выводы по четвертой главе.

Судовые трубопроводы различного эксплуатационного назначения в процессе использования деформируются под воздействием изменения температуры, механических и вибрационных нагрузок, генерируемых работающим оборудованием, а также потоками жидких и газообразных сред, перемещающихся по этим трубопроводам.

Накопленным опытом установлено, что осуществление компенсации указанного воздействования, особенно действия сдвиговых и угловых перемещений, путем создания П-образных колен трубопроводных систем приводит к значительным напряжениям и, как следствие этого, к существенному снижению коррозионной стойкости трубопроводов.

С целью эффективного снижения напряженно-деформированного состояния судовых трубопроводов, существенно влияющего на степень их надежности и ресурсоспособности, традиционно используют сильфонные компенсаторы, разгрузочные устройства которых воспринимают на себя действие различных эксплуатационных нагрузок.

Проблемой разработки сильфонных компенсаторов, предназначенных для применения в трубопроводах судов отечественного производства занимаются начиная с 70-х годов прошлого столетия. За это время разработана широкая номенклатура сильфонных компенсаторов, в т.ч. предназначенных для восприятия передачи сдвиговых и поворотных нагрузок. Во многом практика проектирования указанных сильфонных компенсаторов опирается на результаты аналитических исследований и теоретических разработок расчетных схем прочности оболочек и панелей, используемых для выбора конструктивно-технологических параметров сильфонных компенсаторов различного эксплуатационного назначения. Такие компенсаторы в достаточной степени надежны и работают в составе судовых трубопроводов.

Однако, как показывает практика, технология монтажа существующих сильфонных компенсаторов характеризуется рядом недостатков, результатами которых являются существенные трудозатраты, повышенный расход материалов и ресурсов. Причиной указанного во многом являются пригоночные работы, сопутствующие традиционной технологии монтажа сильфонных компенсаторов в составе судовых трубопроводов.

Кинематическая подвижность сильфонных компенсаторов позволяет считать, что совершенствование технологии их монтажа может быть осуществлено путем конструктивно-технологического изменения и применения элементов сильфонных компенсаторов, главным образом, их разгрузочных устройств. При этом указанное изменение должно быть направлено на то, чтобы разгрузочные устройства обеспечивали не только функцию восприятия сдвиговых и поворотных нагрузок, но также выполняли роль средств совершенствования и повышения эффективности монтажа сильфонных компенсаторов.

Полученными данными выполненных разработок сильфонных компенсаторов установлено, что решение указанной проблемы путем многовариантного проектирования или экспериментального подбора приемлемых конструктивно-технологических вариантов разгрузочных устройств удовлетворитебльных результатов не дает. Объясняется последнее тем, что для осуществления поиска эффективных решений необходимы сведения о деформировании обеих конструктивных составляющих компенсаторов, т.е. гофрированных сильфонов и разгрузочных устройств под действием эксплуатационных нагрузок. А также расчетные параметры конструктивно изменяемых элементов, обеспечивающие эффективность их применения в качестве эксплуатационных и технологических устройств. Сведения о необходимом повышении собираемости сильфонных компенсаторов для совершенствования технологии их монтажа в составе судовых трубопроводов. Наряду с этим необходима технико-экономическая оценка применения конструктивно измененных разгрузочных устройств.

В практике машиностроения, судостроения, нефтегазовой и пр. промышленности используют сильфонные компенсаторы, которые по типу восприятия и передачи нагрузок классифицируют по трем основным типам, включающим осевые, сдвиго-поворотные и сдвиговые сильфонные компенсаторы. Среди них сдвиго-поворотные сильфонные компенсаторы предназначены для восприятия наиболее сложной схемы нагрузок.

В связи с указанным, аналитическим и экспериментальным исследованиям перечисленных выше компенсаторов применительно к сдвиго-поворотным сильфонным компенсаторам посвящена настоящая диссертационная разработка.

Выводы по четвертой главе

1. В результате анализа особенностей существующего процесса монтажа сильфонных компенсаторов с традиционным разгрузочным устройством установлено, что совершенствование технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов судовых трубопроводов может быть обеспечено путем использования конструктивно измененных разгрузочных устройств этих компенсаторов, представляющих неотъемлемую составную часть гофрированных сильфонов и изготавливаемую в едином цикле производства этих сильфонов.

2. На основе изучения конструктивно-технологических особенностей сильфонов сдвиго-поворотных компенсаторов и номенклатуры составляющих элементов разгрузочного устройства определено, что для сборки таких компенсаторов с конструктивно измененным разгрузочным устройством должен быть выполнен цикл подготовительных работ, включающих изготовление обечаек и сборку из них гофрированных сильфонов, а также изготовление опорных ребер, втулок, вкладных гаек, упругих стержней и сборку из них разгрузочного устройства, при этом сварка указанных изделий должна быть осуществлена неплавящимся электродом в среде аргона на постоянном токе.

3. Соответственно функциональному назначению судовых трубопроводов и воздействию на них нагрузок при транспортировании газообразных и жидкостных сред определено, что изготовленные сдвиго-поворотные компенсаторы должны быть испытаны на прочность и герметичность избыточным гидравлическим давлением, после этого должны пройти контрольный нагрев, измерительный и визуальный контроль с целью выявления недопустимых отклонений в размерах, наличия разгерметизации и недопустимых дефектов на поверхности сильфонов.

4. С учетом того, что сильфонные компенсаторы являются составной частью судовых трубопроводов, поэтому точность установки этих компенсаторов на штатных местах регламентируется системой допусков на трассировку и сборку судовых трубопроводов, предложено при выполнении монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов первоначально зафиксировать их место в трассе трубопроводов путем закрепления фланцев прилегающих к компенсатору труб, затем провести измерение расстояний между зафиксированными фланцами и соответственно данным проведенных замеров с использованием разгрузочного устройства выполнить регулирование необходимой строительной длины монтируемого на штатном месте сдвиго-поворотного сильфонного компенсатора.

5. С целью исключения пригоночных работ, вызванных введением забойных участков труб, что характерно для существующей технологии монтажа сильфонных компенсаторов с традиционным разгрузочным устройством, предложено отрегулированные по замерам сдвиго-поворотные сильфонные компенсаторы установить на штатное место в составе трубопровода с первоначальным предварительным закреплением их фланцев с фланцем одной из смежных с компенсаторами труб, после этого путем, в случае необходимости, изгиба сильфонов устанавливаемых сдвиго-поворотных компенсаторов и поворота фланцев на свободном конце их сильфонов предварительно соединить фланцы компенсаторов с фланцами прилегающей к ним другой трубы, при этом предварительное соединение обоих фланцев сильфонных компенсаторов выполнить на временных прокладках и болтах, после чего осуществить центровку и окончательное соединение фланцев сдвиго-поворотных компенсаторов с фланцами прилегающих труб на штатных прокладках и болтах.

6. Проведенным комплексом расчетов определено, что совершенствование технологии монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов судовых трубопроводов с применением конструктивно измененного разгрузочного устройства, исключающее необходимость применения забойных участков трубопроводов и связанных с этим пригоночных работ, тем самым, позволяющее достигнуть сокращения непроизводительных трудозатрат, уменьшения расхода ресурсов (сжатого воздуха, кислорода, ацетилена) и материалов (электродов и сварочной проволоки), а также исключения традиционно применяемых средств технологического оснащения (резаков, зачистных машинок, сварочного оборудования), наряду с этим замены или исключения ряда модификаций сильфонных компенсаторов с традиционным разгрузочным устройством, в целом обеспечивает технико-экономический эффект в сумме до 500000 руб. на одно транспортное или промысловое судно, а также технико-экономический эффект в сумме до 4000000 руб. на один надводный корабль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью и определенным составом задач настоящей диссертационной работы получены следующие результаты.

1. Результатами проведенных аналитических исследований деформированного состояния применяемых сильфонных компенсаторов и используемых в них традиционных разгрузочных устройств установлено, что основной причиной недопустимого искажения формы гофров их сильфонов является действие изгибающих моментов, которые в шарнирных узлах крепления традиционных разгрузочных устройств значительно увеличивают моменты сил трения и, тем самым, приводят к существенному снижению гибкости сильфонных компенсаторов при выполнении ими перемещений сдвига и поворота.

2. С целью повышения функциональной гибкости сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов путем исключения пар трения предложен новый конструктивно-технологический вариант сильфонного компенсатора с разгрузочным устройством, представляющим упругий стержень, расположенный по оси гофрированного компенсатора и соединенный с его патрубками при помощи радиальных ребер и приваренных к ребрам втулок с резьбой разного направления, что защищено полученным патентом

3. Впервые доказано, что с учетом действия растягивающего усилия Г, изгибающего момента М и перерезывающей силы N. а также закона распределения нормальных а и касательных напряжений т по площади поперечного сечения ¥ упругого стержня, модель его деформирования в точках, отстоящих на расстоянии г от оси разгрузочного устройства, характеризуется с учетом момента инерции J и статического момента 5", а также ширины сечения Ь разгрузочного стержня, уравнениями вида:

2293902. 1 Ж

4. Разработана новая методика, согласно которой расчет геометрических параметров разгрузочного устройства в виде упругого стержня может быть осуществлен на основе модели изгиба упруго-защемленной консольной балки длиной / под действием поперечного усилия Р и изгибающего момента М при эксцентриситете е приложения продольного усилия Г, создающего дополнительный прогиб С/о, что учитывается моментами, выраженными гиперболическими функциями г „ т и,

Рзккх М+Т-е+—^ о вида: Д/. кс/ікх и =---ШГ~~

5. Методом конечных элементов аналитически осуществлено исследование напряженно-деформированного состояния при функционировании конструктивно измененного разгрузочного устройства и влияния наличия этого устройства внутри гофрированного сильфона на величину потерь давления проходящих через компенсатор газа и жидкостей, в результате чего графически представленными результатами проведенных исследований доказана симметричность напряженного состояния упругого стержня разгрузочного устройства и незначительность потерь давления сжатого воздуха (0,25%), воды (3,5%) и дизельного топлива (3%).

6. Экспериментальными сравнительными исследованиями традиционного и конструктивно измененного разгрузочного устройства определено, что последнее обеспечивает повышение гибкости сдвиго-поворотных компенсаторов на 20-25%, при этом сохраняется линейная зависимость между деформациями этих устройств и приложенными нагрузками, что характерно также для возвращающегося в исходное состояние конструктивно измененного разгрузочного устройства, тогда как возвращающееся традиционное разгрузочное устройство получает значительные остаточные деформации.

7. Выполненным размерно-технологическим анализом собираемости и монтажа сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов доказано, что при наличии существующих случайных отклонений от базовых линий концов труб, соединяемых с компенсатором, и возможных несовпадений плоскостей фланцев этих труб с плоскостями фланцев устанавливаемых на штатное место в составе изготавливаемых трубопроводов сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов, совершенствование технологии монтажа таких компенсаторов реально осуществимо с применением конструктивно измененного разгрузочного устройства.

8. Разработанной новой технологией сборки гофрированных сильфонов сдвиго-поворотных компенсаторов определена последовательность установки внутри этих сильфонов конструктивно измененного разгрузочного устройства, наряду с этим определен порядок монтажа изготовленных сдвиго-поворотных компенсаторов на штатном месте в составе формируемых трубопроводов без пригоночных работ за счет изменения строительной длины и изгиба сдвиго-поворотных компенсаторов.

9. Определено, что исключение пригоночных работ при монтаже сильфонных сдвиго-поворотных компенсаторов и связанный с этим отказ от необходимости введения забойных участков формируемых трубопроводов, существенно сокращает трудозатраты, ведет к уменьшению расхода материалов и энергоресурсов, а также к исключению средств технологического оснащения, кроме того конструктивное изменение разгрузочного устройства, расширяющее функциональные возможности сдвиго-поворотных компенсаторов, позволяет уменьшить номенклатуру и количество применяемых компенсаторов с традиционным разгрузочным устройством, что обеспечивает получение экономического эффекта в сумме 500000 руб. на одно транспортное или промысловое судно, а также экономический эффект в сумме 4000000 руб. на один надводный корабль.