Среда, 07.12.2016, 11:36
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту


Главная » Статьи » Техника. Технические науки

Трубы стальные обсадные и насосно-компрессорные для нефтяной и газовой промышленности. Методы испытаний резьбовых соединений. Часть 9

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16

B.5.3 Область испытательных нагрузок для соединения

B.5.3.1 Общие положения

Соединения могут рассматриваться как сочетание концентричных полых цилиндров, усеченных конусов и (или) сферических сегментов, упирающихся друг в друга упорными элементами или соединенных друг с другом при помощи резьбы, стопорных колец или другим способом. Можно показать, что концентрично расположенные полые цилиндры, находящиеся в контакте друг с другом, т.е. оказывающие давление друг на друга (посадка с натягом), ведут себя под действием внутреннего или внешнего давления как сплошной цилиндр.

Анализ стандартных и нестандартных соединений показал, что из-за ограничений по геометрии (внутреннему и наружному диаметрам) большинство соединений спроектировано таким образом, что первоначальное контактное давление и вызванное им тангенциальное напряжение в элементе, первым воспринимающим нагрузку, не играет особой роли по сравнению с эксплуатационными нагрузками. Другими словами, работоспособность соединения зависит в первую очередь от внешних нагрузок, а не от нагрузок и напряжений, вызванных свинчиванием.

Установлено, что торец ниппельного элемента с резьбовым соединением EUE наружным диаметром 88,90 и толщиной стенки 8,00 мм при свинчивании подвергается пластической деформации от тангенциального сжатия, что приводит к большому давлению (нормальным напряжениям) между ниппельным элементом и муфтой, однако прочность муфты в плоскости торца ниппельного элемента не снижается. По ИСО/ТО 10400 [уравнение 3.1.2)] или API Bul 5C3 стойкость муфт к внутреннему давлению муфт оценивается только по размерам муфты и свойствам материала в этой плоскости.

Примечание - Поскольку область испытательных нагрузок задается по существу как область максимальных упругих нагрузок, относительные смещения элементов соединения будут незначительны, т.е. геометрические параметры соединения в пределах этой области будут практически неизменными.

 

Таким образом, для установления области испытательных нагрузок для соединения можно использовать принципы наложения нагрузок. Зная различные критические поперечные сечения соединения, подвергаемого воздействию осевого усилия растяжения или сжатия, диаметр и толщину элемента, воспринимающего нагрузки от внутреннего или внешнего давления, можно рассчитать область испытательных нагрузок для многокомпонентной конструкции, такой как соединения для труб нефтяного сортамента.

При наложении нагрузок необходимо учитывать, что критическое поперечное сечение, воспринимающее осевую нагрузку, необязательно имеет тот же диаметр и толщину стенки, что и сечение, воспринимающее нагрузку от давления. Необходимо, однако, знать диаметр, на котором действует давление, например внутренний диаметр при действии внутреннего давления или наружный диаметр при действии внешнего давления. Естественно, что площадь конкретного критического поперечного сечения рассматриваемого соединения должна быть в одной плоскости с диаметром и толщиной стенки.

Использование критического поперечного сечения для расчета области испытательных нагрузок соединений предполагает также, что действительны уравнения для длинных цилиндров, т.е. имеет место упрочнение на срез критического поперечного сечения вблизи толстостенного сечения.

Это допущение идет в запас прочности и обосновано тем, что основная задача при проектировании соединения заключается в достижении несущей способности и геометрии, максимально приближенных к телу трубы.

В случае, когда элементы соединения получают механической обработкой толстостенных высаженных концов труб, упрочнение на срез под воздействием соседних толстостенных сечений может внести заметный вклад в номинальную область испытательных нагрузок. Однако большинство таких соединений спроектировано в расчете на достижение, по крайней мере, 100% несущей способности тела трубы за счет геометрии, и поэтому область испытательных нагрузок соединения обычно расположена снаружи области испытательных нагрузок для тела трубы. Таким образом, точная область испытательных нагрузок соединения представляет собой спорный вопрос, а испытательные нагрузки определяются скорее свойствами тела трубы, а не соединения.

Можно также утверждать, что при расчете напряжений VME в критическом элементе не следует суммировать тангенциальные напряжения, достигающие максимума на внутренней поверхности внутреннего элемента, с осевыми напряжениями в наружном элементе. Это положение не распространяется, однако, на методику по настоящему стандарту, поскольку, во-первых, одно из критических поперечных сечений соединения для расчета напряжений VME обычно представляет собой конечный участок ниппельного или раструбного элементов и состоит из одного элемента, и, во-вторых, использование более высокого тангенциального напряжения в уравнении для расчета напряжений VME компенсирует исключение напряжений от свинчивания.

Пик интенсивности напряжений VME в соединении при определенном сочетании нагрузок от давления, осевого усилия и изгиба не может быть предсказан простым изучением соединения. Необходим углубленный анализ соединения, чтобы установить все плоскости, в которых может возникать предельная интенсивность напряжений во всех четырех квадрантах. Установлено, что функции VME имеют разрыв между внутренним и внешним давлением из-за особенностей используемых уравнений для расчета напряжений от давления . Кроме того, сама конструкция соединения может вызвать разрыв непрерывности между растяжением и сжатием в функциях VME. Поэтому необходим тщательный анализ конструкции соединения с оценкой возможных критических поперечных сечений во всех квадрантах.

B.5.3.2 Область испытательных нагрузок для одноосно нагруженного соединения

B.5.3.2.1 Общие уравнения

Приведенные ниже уравнения (B.24) - (B.26) идентичны уравнениям для тела трубы по B.5.2.2. Область испытательных нагрузок для одноосно нагруженного соединения рассчитывают, подставляя соответствующие значения D и t в критической плоскости соединения вместо значений для тела трубы. В определенном критическом сечении правильные значения D и t для расчета осевых напряжений могут не совпадать со значениями D и t для расчета тангенциальных напряжений. Необходимо, чтобы конкретные значения D и t определяли осевые напряжения с учетом изгиба, но эти значения могут не определять стойкость к нагрузкам от давления. Кроме того, внутреннее давление всегда действует на внутреннюю поверхность с диаметром Di, который составляет

Di = D - 2t. (B.24) <*>

--------------------------------

<*> В ИСО 13679-2002 допущена ошибка в нумерации формул. (Примеч. ред.)

Внешнее давление po всегда действует на наружную поверхность с диаметром D. Следует также помнить, что эксплуатационные нагрузки могут включать как внутреннее, так и внешнее давление, и перед сравнением с испытательным давлением необходимо привести (нормализовать) эти давления к pin и pon таким образом, чтобы второе давление было равно нулю. Нормализация одновременно действующих внутреннего и внешнего давлений осуществляется следующим образом

где D - наружный диаметр;

Di - внутренний диаметр.

Действительны только положительные значения давления. В результате при небольшой разности давлений возникает разрыв в функциях для pin и pon.

B.5.3.2.2 Значительный изгиб

Если требуется, чтобы при испытании учитывался значительный изгиб, который приводит к возникновению пика напряжений VME на наружной поверхности критического элемента соединения или тела трубы, то необходимо принимать тангенциальные, радиальные и осевые напряжения с учетом изгиба.

a) Тангенциальные напряжения на внутренней поверхности при действии внутреннего давления

b) Тангенциальные напряжения на наружной поверхности при действии внешнего давления

c) Радиальные напряжения от внутреннего давления на наружной поверхности в критической плоскости критического элемента равны нулю

d) Радиальные напряжения от внешнего давления на наружной поверхности в критической плоскости критического элемента

e) Осевые напряжения при сверхкритическом изгибе

Таким образом, максимальный изгибающий момент Mo на наружной поверхности в критическом сечении элемента или на наружной поверхности тела трубы при воздействии давления и осевой нагрузки составляет:

- при действии внутреннего давления

Примечание - Для Dleg в градусах на 100 футов M в фунт-дюймах и I в дюйм4 константа составляет 436.

 

B.6 Практический расчет

B.6.1 Общие положения

Область испытательных нагрузок для колонны труб в неопределенном рабочем окружении рассчитывается как сочетание нагрузок от внутреннего и внешнего давлений, статического растяжения или сжатия и изгиба, которое создает интенсивность напряжений VME в теле трубы или в критическом элементе соединения, эквивалентную 95% предела текучести материала данного элемента при осевом растяжении.

Расчет максимального сочетания нагрузок может проводиться вручную, но такие расчеты крайне трудоемки. Рекомендуется использовать для расчетов компьютерную программу. Рекомендуемый метод расчета приведен в B.6.2 - B.6.6.

B.6.2 Расчет значений для тела трубы при одноосном нагружении

Область испытательных нагрузок для тела трубы при одноосном нагружении рассчитывают, как описано в B.5.2.2:

a) на растяжение по уравнению (B.1);

b) на внутреннее давление по уравнению (B.2);

c) на сжатие по уравнению (B.3);

d) на внешнее давление по уравнению (B.4);

e) на изгиб по уравнению (B.5).

B.6.3 Комбинированная проверка нагрузок

Для проверки рассчитывают 4 комбинации максимального давления и осевой нагрузки по уравнениям (B.14) - (B.17). Полученные значения используют также для задания пределов итерации по B.6.4.

B.6.4 Комбинация нагрузок и давления

Рассчитывают предельное давление при заданной осевой нагрузке для достаточно большого числа точек, чтобы иметь возможность построить плавную кривую во всем интервале осевых усилий (см. рисунок B.1):

a) по уравнению (B.12) для осевого усилия плюс внутреннее давление;

b) по уравнению (B.13) для осевого усилия плюс внешнее давление.

B.6.5 Влияние изгиба

Влияние изгиба проявляется в изменении эффективных осевых напряжений в ту или иную сторону. Таким способом можно построить область испытательных нагрузок (постоянной интенсивности напряжений VME) от давления и осевого усилия с учетом изгиба. В компьютерную программу, разработанную для расчета по B.5.3.2, можно добавить различные величины изгиба и решить соответствующие уравнения для определения внутреннего и внешнего давления, используя уравнения (B.12) и (B.13).

Для учета изгиба необходимо изменить осевое напряжение  в уравнениях (B.9), (B.12) и (B.13), введя в них напряжение изгиба по уравнениям (B.18), (B.19) и (B.20). Тогда получим:

- для внутреннего давления

Как указано в B.5, уравнения (B.35) и (B.36) действительны только в том случае, когда пик напряжений VME находится на внутренней поверхности. Предельный изгиб при определенном давлении и определенной осевой нагрузке может быть рассчитан по уравнениям (B.21) и (B.22) при действии соответственно внутреннего и внешнего давлений. При значительном изгибе, когда пик напряжений VME находится на наружной поверхности, следует использовать уравнения (B.32) и (B.33). Область испытательных нагрузок от давления и осевого усилия для тела трубы без учета изгиба представляет собой ограничительный фактор. Таким образом, если при определенной осевой нагрузке и определенном изгибе будет найдено внутреннее давление, которое больше, чем при отсутствии изгиба, такое значение давления некорректно. Так, значение давления ограничено более низким значением в квадранте II и более высокое значение, рассчитанное в квадранте I, недействительно. Аналогичная ситуация может сложиться с внешним давлением и растяжением в квадранте IV.

B.6.6 Тело трубы и соединение

Методы расчета области испытательных нагрузок для тела трубы, различных пиковых одноосных и комбинированных нагрузок приложим к элементам соединения путем замены в расчетных уравнениях соответствующих значений диаметра и толщины стенки. Таким образом, компьютерная программа, разработанная для тела трубы, может быть использована для расчета соединения или другой многослойной концентричной конструкции.

Если для построения области испытательных нагрузок для тела трубы достаточно рассмотрения одного сечения, то для соединения следует рассмотреть несколько, от трех до шести сечений. Эти критические поперечные сечения должны быть определены пользователем настоящего стандарта. В таблице B.2 приведены данные, необходимые для проведения расчета критических поперечных сечений.

Таблица B.2

Размеры, необходимые для расчета критических поперечных сечений

Диаметр тела трубы D

Задан

Толщина стенки тела трубы t

Задана

Диаметр Do раструбного элемента соединения

Задан

Диаметр Di ниппельного элемента соединения

Задан

Критическое сечение на растяжение

Задано <a>

Критическое сечение на сжатие

Задано <b>

<a> Либо в виде усилия растяжения для конкретной группы прочности, либо в виде процента от тела трубы, либо в виде площади критического сечения.

<b> Либо в виде усилия сжатия для конкретной группы прочности, либо в виде процента от тела трубы, либо в виде площади критического сечения.

Критические поперечные сечения (плоскости) стандартных соединений могут быть определены по размерам, приведенным в ИСО 10422 или API Spec 5B. Кроме того, размеры распространенных соединений насосно-компрессорных труб с двухшаговой цилиндрической резьбой и коническим уплотнением, соединений с уплотнением металл-металл и соединений интеграл IJ общедоступны, поскольку соответствующие данные переданы в API.

В картах данных и литературе содержится достаточно сведений о многих нестандартных соединениях, что позволяет построить область испытательных нагрузок при отсутствии конкретных размеров, которые, по мнению некоторых изготовителей таких соединений, являются конфиденциальной информацией. Данные, необходимые для построения области испытательных нагрузок, и их источники приведены в таблице B.2.

Дополнительную информацию по определению размеров критических поперечных сечений можно извлечь из высоты профиля резьбы, конусности резьбы и конусности уплотнения. Эти данные обычно приводятся в литературе о нестандартных соединениях. Кроме того, в большинстве случаев нестандартные соединения следуют общему направлению проектирования. Знание этого направления может оказать ценную помощь при выборе размеров для описанных выше расчетов.

В качестве примера укажем, что большинство соединений труб с уплотнением металл-металл наружным диаметром от 114,30 до 339,70 мм имеют параметры резьбы, близкие к параметрам резьбы упорного соединения с трапецеидальной резьбой по ИСО 10422 или API Spec 5B. Поэтому площадь одного из критических сечений муфты - плоскости первого витка трубы, участвующего в сопряжении, заведомо известна. При расчете осевых напряжений можно принять D = W, диаметры Do муфты и Di можно аппроксимировать с наружным диаметром торца ниппельного элемента, обозначенным в ИСО 10422 и API Spec 5B как Di. В этой плоскости внутреннее давление действует на внутреннюю поверхность с известным диаметром Di и полностью передается на наружную поверхность муфты. Таким образом, можно легко установить значения D и t, определяющие осевые и тангенциальные напряжения в соединении от рабочих нагрузок.

Кроме того, для большинства нестандартных соединений МТС показатели прочности выведены из уравнения работоспособности. Поскольку показатели прочности почти всегда публикуются, можно рассчитать наружный критический диаметр ниппельного элемента.

 

Приложение C (обязательное)

ФОРМЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДАННЫХ

Если данные результатов испытаний вносятся в формы вручную, следует использовать формы формата A3 или эквивалентного размера. Если формы заполняются печатным шрифтом или в электронном виде, то можно использовать формы формата A4 или эквивалентного размера при условии применения одного формата и достаточного легкого и удобного чтения данных. Допускается применение увеличенных копий форм из настоящего приложения.

Форма C.9 аналогична форме для расчета испытательных нагрузок по [5] и включена в это приложение, чтобы облегчить сопоставление с результатами более ранних испытаний, проведенных до введения в действие настоящего стандарта.

e) Исходная заготовка 3 - длинные патрубки (для механической обработки могут потребоваться более длинные отрезки)

--------------------------------

<a> Граница участка отбора пробы для испытания материала.

<b> Патрубок без резьбы (отрезанный газовой резкой или пилой на любом этапе изготовления).

<c> Патрубок без резьбы (отрезанный газовой резкой или пилой после нарезания резьбы).

Примечание - MT - проба для испытания материала.

Рисунок C.1 - Рекомендуемое расположение исходных заготовок для образцов для испытаний соединений и материала

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16

Категория: Техника. Технические науки | Добавил: x5443 (04.10.2016)
Просмотров: 38 | Теги: трубы | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2016