Контактное деформирование узла уплотнения трубопровода

Аннотация

Исследованы особенности напряженно-деформированного состояния соединительного узла паропровода турбоустановки на основе использования трехмерной расчетной модели конструкции и контактирующих между собой поверхностей. Рассматриваемый узел включает в себя собственно трубопровод, обжимной кожух, состоящий из двух половин, в одной из которых установлен отвод, и прокладку-уплотнитель. Сформирована математическая модель, учитывающая механические нагрузки, вызванные как внутренним давлением пара на стенку паропровода, так и затяжкой крепежей кожуха. Рассматриваемая модель также включает контактное взаимодействие в узле уплотнения на контактируемой поверхности трубопровода, верхней и нижней половин кожуха. Предложена методика решения данной контактной задачи, основанная на применении метода конечных элементов. В основе конечноэлементной модели лежат двадцатиузловые трехмерные конечные элементы с тремя степенями свободы в каждом узле. Для описания контакта и скольжения между поверхностями использовались восьмиузловые контактные конечные элементы. Учет контактных условий осуществлялся при помощи метода штрафных функций. Проведена верификация модели и программного обеспечения, реализующего предложенную методику путем сравнения результатов расчета и экспериментальных данных, полученных на физической модели трубопровода. Физическая модель была изготовлена из низкомодульного материала с соблюдением полного геометрического подобия и такого же соотношения модулей упругости материалов, как и в реальном объекте. Определено напряженно-деформированное состояние соединительного узла реального трубопровода в трехмерной постановке и выявлены наиболее напряженные зоны в узле, требующие повышенного внимания при проектировании и эксплуатации трубопроводов и их соединений. Разработанный подход и программное обеспечение дают возможность определить контактное давление для фланцев горизонтального разъема высоконапряженных корпусов цилиндров мощных паровых турбин, что позволяет избежать большого числа дорогостоящих экспериментальных исследований.