Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиТройникиРасчёты → Тройники стальные. Расчет тройников и выбор накладок для их усиления.

Тройники стальные. Расчет тройников и выбор накладок для их усиления.

Тройник стальной бесшовный литой

Тройник стальной бесшовный литой

Тройниковым называют соединение магистрального трубопровода с ответвлением. Отверстие в магистральной трубе, а также резкое изменение сечения и направления потока, как правило, приводят к значительной концентрации напряжений в области тройника. Для усиления конструкции тройники усиливают специальными накладками. Намного надежнее являются тройники бесшовные литые.

Дата публикации: 14 февраля 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Расчет неусиленных тройников

Соединения ответвления с магистральной линией, обычно называемое тройниковым, представляет собой конструктивно ослабленный участок трубопровода. Отверстие в магистральной трубе, а также резкое изменение сечения и направления потока, как правило, приводят к значительной концентрации напряжений на этом участке. Деталь трубопровода, осуществляющая данное соединение - тройник.

Напряжения вокруг отверстия в этом случае становятся весьма значительными по сравнению с напряжениями в целой части трубопровода. Однако за счет упруго-пастической работы металла тройникового соединения эти высокие напряжения не определяют его несущую способность.

При проектировании неусиленных тройниковых соединений прежде всего обращается внимание на возможность циклического их нагружения.

В случае статического действия внутреннего давления, т. е. когда число циклов изменения нагрузки за весь период службы сооружения не превосходит 7000, размеры тройникового соединения определяются его несущей способностью. При циклическом же действии внутреннего давления необходимо, чтобы наибольшие напряжения в стенках тройникового соединения не превосходили предел выносливости металла тройника.

Тройник неравнопорходной неусиленный.

Рис. 1. Неравнопроходный 
неусиленный тройник.

Тройник равнопроходный неусиленный

Рис. 2. Тройник равнопроходный
неусиленный.

Толщина стенок неусиленного тройникового соединения (рис. 1) при статическом действии внутреннего давления определяется по формуле:

delta = (1 + 2/3 {d_H}/{D_H}) delta_T,             (1)

где δ — толщина стенок неусиленного тройникового соединения;
dH — наружный диаметр ответвления;
DH — наружный диаметр магистральной трубы;
δT — толщина стенки целой присоединяемой трубы.

Толстостенный неусиленный равнопроходный тройник

Рис. 3. Толстостенный неусиленный
равнопроходный тройник

Формула (1) применяется для расчета тонкостенных тройниковых соединений с ответвлением под углом 90°.

Для равнопроходного неусиленного тройника (рис. 2) толщину стенок в случае статического действия нагрузки находят по формуле:

delta = 5/3 delta_T.            (2)

Значения величин, входящих в эту формулу, те же, что и в формуле (1).

Для толстостенных неусиленных равнопроходных тройниковых соединений (рис. 3) диаметром 102…273 мм с ответвлением под углом 90° при статическом действии нагрузки отношение давления в целой трубе к давлению в тройнике характеризуется коэффициентом

eta = 1/{1 + xi {r r_1}/{(r prime)^2} sqrt{{r delta}/{r_1 delta_1}} };            (3)

здесь ξ — эмпирический коэффициент (определяется по табл. 1);

Таблица 1. Значения коэффициента ξ в формуле (3)
d, мм 102 133 219 273
  0,145 0,190 0,230 0,245

r — наружный радиус магистральной трубы тройника;
r1 — наружный радиус ответвления;
r' — внутренний радиус магистральной трубы тройника;
δ — толщина стенки магистральной трубы тройника;
δ1 — толщина стенки ответвления.

Коэффициент интенсификации напряжений (т. е. отношение наибольшего напряжения, действующего в стенке тройникового соединения, к напряжению в целой трубе при прочих равных условиях) равнопроходного неусиленного тройника (рис. 2) определяется формулой:

i=0,9 (r/delta)^{2/3},            (4)

где i — коэффициент интенсификации напряжений;
r — радиус магистральной трубы тройника;
δ — толщина стенки магистральной трубы тройника.

Конструктивные решения тройниковых соединений выполняют путем врезки одной трубы в другую, причем ответвление приваривают к магистральной трубе тройника снаружи.

В начало

Расчет усиленных тройников

Типы усиливающих накладок тройниковых соединений.

Рис. 4. Типы усиливающих накладок тройниковых соединений.

Использование усиливающих накладок позволяет обеспечивать работу тройниковых соединений почти до таких же давлений, как и давление   в магистральной линии и в фланцевых соединениях. Усиливающие накладки, однако, не оказывают большого противодействия раннему появлению пластических деформаций и не могут быть поэтому эффективным средством повышения давления без достижения предела текучести в отдельных зонах сопряжения.

Некоторые виды усиливающих накладок показаны на рисунке 4. Наиболее распространенными являются усиления в виде плоской накладки (рис. 4, а) и в виде воротника (рис. 4, б). При увеличении размеров плоской накладки она превращается в накладку, охватывающую всю магистральную трубу (рис. 4, в). Охватывающая усиливающая накладка может иметь заплечики (рис. 4, г). Усиление в виде косынок и подковообразного усиливающего ребра (рис. 4, е) вследствие большой жесткости приводит к значительной концентрации напряжений. Кольцевая усиливающая накладка для детали трубопровода может быть выполнена в виде "воротника" (рис. 4, д).

Размеры области усиления тройника

Рис. 5. Размеры "области
усиления" тройника

При дополнении "воротника" жесткости третьим подковообразным ребром получается устройство, изображенное на рис. 4, ж, называемое усилением в виде трех ребер. Этот тип усиления очень сложен с точки зрения его пригонки и сварки, которую к тому же трудно проверить радиографическими способами.

Размеры усиливающих накладок усиленных тройниковых соединений определяют по методу "замещения площади". Сущность этого метода состоит в том, что металл, удаленный из стенки магистральной трубы, замещают таким же количеством металла, который устанавливают в месте усиления. При этом влияние усиления эффективно только в пределах "области усиления", размеры которой устанавливаются в соответствии с рисунком 5.

Равнопроходный тройник с усилением плоской накладкой.

Рис. 6. Равнопроходный тройник
с усилением плоской накладкой.

Таким образом, в любом диаметральном сечении отверстия площадь металла, вырезанного из магистральной трубы для образования отверстия, должна быть компенсирована металлом, надежно соединенным со стенкой сосуда в пределах зоны ABCD. Площадь сечения металла в пределах указанной зоны с учетом сечения швов должна быть не меньше 2dвнδ, где δ - толщина стенки магистральной трубы,  dвн - внутренний диаметр ответвления.

Коэффициент интенсификации напряжений равнопроходного тройника, усиленного плоской накладкой (рис. 6), определяют по формуле

i = 0,9 (r/delta)^{2/3} (1 + {delta_H}/{2 delta})^{- 5/3},                                 (5)

где i — коэффициент интенсификации напряжений;
r — наружный радиус магистральной трубы тройника;
δ — толщина стенки магистральной трубы тройника;
δH — толщина плоской накладки.

В начало

Рекомендации по проектированию тройниковых соединений

Необходимо, чтобы выбор конструкции и технология изготовления деталей тройниковых соединений основывались на тщательной оценке всех факторов, влияющих на прочность ответвления. Большое значение при этом имеет контроль качества производства деталей трубопроводов. Плохие пригонка и сварка и непровар корня шва могут создать области концентрации таких напряжений, которые способны при вести к разрушению трубопровода.

Элементам усиления следует уделять тем большее внимание, чем выше действующие напряжения и температура. Трудно изготовить сварные равнопроходные тройники под углом 90°, не вызвав значительных деформаций, особенно при использовании усилений в виде накладок; затруднения ещё более возрастают с увеличением диаметра трубопровода. Усиление, получаемое за счет использования для основоной магистрали или ответвлений труб с более толстой стенкой, обычно предпочитается накладкам и может применяться в большинтсве случаев.

При соединении ответвлений следует избегать острых углов. Трудности изготовления соединений из труб возрастают по мере того, как отношение диаметра отверстия к диаметру трубопровода увеличивается. Когда это отношение превышает ½, необходима высокая точность изготовления.

Наибольший эффект усиления обеспечивается при его концентрации вблизи отверстия. Если это позволяет режим потока рабочей среды, эффективность усиления можно повысить, расположив усиливающий металл не только на наружной, но и на внутренней поверхности трубы.

Не рекомендуется применять усиления в виде косынок или ребер жесткости, так как возле их концов или вблизи соединительных швов могут возникать большие концентрации напряжений. Особенно не следует использовать такие усиления на горячих трубопроводах, поскольку вдоль ребер создается высокий температурный градиент. Если ребра все же применяются, то в местах их установки на горячих трубопроводах требуется усиленная изоляция.

Выбор элементов усиления (с учетом их конструктивных особенностей, технологии производства и методов контроля) должен основываться на предполагаемых условиях эксплуатации. Предпостение следует отдавать таким усилениям, которые уменьшают деформации и создают наилучшие возможность для подварки корня шва. В качетве примера отметим, что установка и приварка ответвоения до выреза отверстия в магистральном трубопроводе уменьшают деформирование, особенно, когда диаметр ответвления приближается к диаметру основоной трубы.

Для трубопроводов высоких температур и давлений, а также на трубопроводах энергетических и нефтехимических объектов следует применять тройники литые бесшовные. Такой способ производства обеспечивает наименьшую концентрацию напряжений металла, минимальные температурные градиенты в материале тройника, отсутствие сварных швов сложной геометрии в области сопряжения ответвления и магистрали.

В начало

Заключение

Проектирование трубопроводов и их деталей - ответственный процесс, требующих точных расчетов и учета свойств материалов, а также сред, в которых они эксплуатируются. Эти расчеты должны учитываться при производстве как тройников, так и других деталей трубопроводов: стальных фланцев, заглушек фланцевых, переходов и т. д. Тройники особенно критических условий применения следует изготавливать без швов методом литья.

В начало

Список литературы

  1. Юфин В. А. Трубопроводный транспорт нефти и газа.. – М. : Недра, 1976.
  2. Чернышов Г. Г. Сварочное дело: Сварка и резка металлов / Г. Г. Чернышов.. – М. : Изд. центр «Академия», 2004.
  3. Специальные способы литья : справочник / под ред. В. А. Ефимова.. – М. : Машиностроение, 1991.
  4. Ретшер Ф. Детали машин : в 2-х томах.. – М. : Госмашметиздат. 1933-1934г..
  5. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов.. – М. : Гостехиздат, 1943. – 345 c. Т. 2.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100