Совершенствование конструкции узла ввода газа для снижения температурных напряжений

Полный текст

При проектировании промышленных нефтегазоперерабатывающих и химических установок зачастую возникает проблема соединения трубопроводов с существенно различающимися температурами. Данная проблема обусловлена возникновением в области сопряжения значительных температурных напряжений, что чревато разрушением материала [1]. Статья посвящена совершенствованию конструкции узла ввода низкотемпературного газа в высокотемпературную трубопроводную линию (рис. 1). Рис. 1. Схема узла ввода газа в трубопроводную линию Анализ показал, что вследствие значительной разницы температур между накладкой, охлаждаемой потоком транспортирующего газа, и основным металлом в зоне приварки накладки к металлу высокотемпературной трубы возникают существенные механические напряжения. Прямое измерение температуры накладки и основной трубы позволило определить величину температурных напряжений узла ввода. Расчеты, выполненные методом конечных элементов с помощью программы ANSYS [2], показали, что наибольшие напряжения возникают в обширной зоне приварки накладки к трубе и по своей величине значительно превышают предел текучести (рис. 2). Опыт показывает, что в этом месте происходит разрушение металла. Рис. 2. Распределение температурных напряжений в зоне соединения труб Для определения возможности снятия термических напряжений был проанализирован температурный режим работы узла ввода без накладки (рис. 3). Рис. 3. Схема узла ввода без накладки Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду (так как узел теплоизолирован), было предложено два варианта для расчета температурного профиля. Первый вариант не учитывает изменение температуры газа: , (1) при х = 0, Т = Т(0); при х = L, Во втором варианте с учетом изменения температуры газа профиль температуры описывается выражениями (2) (3) при х = 0, Т = Т(0); при х = L, ; при х = L, t = t(L). В уравнениях приняты следующие обозначения: Т - температура трубы, С; t - температура газа, С; L - длина трубы, м; F - площадь поперечного сечения трубы, м2; П - внутренний периметр трубы, м; α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/мК; с - теплоемкость газа, Дж/кгК; G - массовый расход газа, кг/с. При решении указанных уравнений принято, что в полой трубке движется газовый поток с постоянной температурой t = 200 C, один конец трубки нагрет до температуры T = 600 C, теплопроводность металла  = 0,2 Вт/мК и коэффициент теплоотдачи  = 20 Вт/м2К. Решения уравнений приведены на рис. 4. t(x)/T x/L Рис. 4. Распределение температуры по длине трубы При расходах газа 10-12 м3/ч изменением температуры газа по длине трубы можно пренебречь. Полученный профиль распределения температуры представлен на рис. 5. После анализа распределения температуры была предложена новая конструкция узла ввода газа в трубопроводную линию (рис. 6). Для снижения термических напряжений конструкция выполняется в виде двух соосных труб, между которыми расположен слой теплоизолирующего материала. Рис. 5. Профиль температуры стенки трубы для ввода газа Рис. 6. Предлагаемая конструкция узла ввода газа Рис. 7. Распределение температур в усовершенствованном узле ввода Работа новой конструкции узла ввода была рассчитана с помощью программы ANSYS. При этом данная задача решалась в два этапа. На первом этапе выполнялся тепловой расчет, в котором учитывались тепловые потоки и распределение температуры по объему конструкции. Затем результаты этого расчета передавались в структурный анализ. Здесь рассчитывались напряжения, вызванные тепловыми деформациями конструкции. Результаты расчета представлены на рис. 7, 8. Рис. 8. Распределение напряжений в усовершенствованном узле ввода Из сравнительного анализа механических напряжений, приведенных на рис. 2 и 8, видно, что в предложенной конструкции узла ввода удалось добиться их уменьшения ниже допускаемых значений.

Об авторах

Леон Гайкович Григорян

Самарский государственный технический университет

(д.т.н.), профессор кафедры «Машины и аппараты химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Владимир Леонидови Папировский

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Юрий Иосифович Игнатенков

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент кафедры «Машины и аппараты химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Сергей Викторович Иваняков

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент кафедры «Машины и аппараты химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Денис Владимирович Коноваленко

Самарский государственный технический университет

ассистент кафедры «Машины и аппараты химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы