Дослідження напружено-деформованого стану фланцевого з’єднання

Анотація

Трубопровідна арматура є важливою складовою всіх трубопровідних систем, що охоплюють житлово-комунальне господарство, нафтовидобувну та нафтопереробну промисловість, хімічне виробництво, водопостачання теплових та атомних електростанцій. Особливу увагу приділяють міцності та надійності фланцевих і різьбових з’єднань, оскільки фланці забезпечують міцні, щільні та розбірні з’єднання трубопроводів. Історично розрахунок напружень у фланцевих з’єднаннях почався ще в 1927 році, а в сучасних дослідженнях застосовують метод скінченних елементів (МКЕ), що дозволяє детально моделювати їх напружено-деформований стан, прогнозувати довговічність, знос тощо. Болтові фланцеві з’єднання з прокладками широко використовуються, однак проблема герметичності залишається актуальною через вплив комбінованих навантажень, матеріалів та умов експлуатації. У багатьох роботах висвітлюються проблемні питання, які стосуються фланцевих з’єднань, зокрема проведений нелінійний аналіз з допомогою МКЕ який враховує товщину фланця, різні способи кріплення болтів, їх кількість та попередній натяг, що дозволяє оптимізувати конструкцію фланцевого з’єднання. Є розроблений алгоритм визначення максимального попереднього напруження болтів, який можна застосувати для різних типів фланцевих з’єднань. Він враховує пластичність матеріалів та контакти фланець-прокладка. У цій роботі особливий акцент робиться на фланцеві з’єднання, які застосовуються у нафтогазовій галузі для з’єднання різноманітного обладнання розміщеного як у ґрунті, так і на поверхні. При цьому сезонні зміни температури будуть впливати на властивості ґрунту, і як наслідок, на напружено-деформований стан досліджуваних з’єднань. Для оцінки напружено-деформованого стану фланцевого з’єднання розроблено тривимірну модель, яка складається з фланцевого з’єднання, одна частина труби розміщена в ґрунті, а інша – на поверхні. Результати моделювання показали, що при осьовому навантаженні на фланцеве з’єднання виникає максимальне еквівалентне напруження величиною 141 МПа, а контактний тиск на прокладці дорівнює 9,3 МПа. При урахуванні жорсткості ґрунту, аналогічній зимовим умовам, напруження зростають до 241 МПа, водночас контактний тиск на прокладці та фланцях стає нерівномірним, що призводить до втрати герметичності з’єднання. Враховуючи поширеність таких умов, подальші дослідження рекомендовано зосередити на впливі властивостей ґрунту, коефіцієнтів тертя між ґрунтом і трубою, а також впливі вібрацій, викликаних пульсацією тиску в трубах, на міцність та герметичність фланцевих з’єднань. Це дозволить підвищити надійність трубопровідних систем у складних експлуатаційних умовах.