Расчет и конструирование трубопроводных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В проектировании тепловых и атомных электростанций значительное место занимает проектирование трубопроводных систем. Трубопроводные системы являются транспортными магистралями различных сред (пар, вода, масло и др.) при различных температурах и давлениях. От грамотного конструирования этих систем во многом зависит надёжность работы тепловых электростанций, тепловых сетей.

Цель курсового проекта - систематизация знаний по расчёту и проектированию трубопроводных систем с применением прикладной программы «АСТРА», закрепление знаний и приобретение навыка проектирования технологических коммуникаций на тепловых электростанциях и в тепловых сетях.

Трубопроводные системы представляют собой объединение труб с помощью различных соединений (сварных, фланцевых, резьбовых, отводов, переходов, тройников и т.д.).

На ТЭС трубопроводы служат для транспортировки различных сред: рабочего тела (пар на паротурбинный ТЭС, АЭС); газа (не газотурбинных ТЭС; на ТЭС, использующих газ в качестве топлива и т.д.); теплоносителя (пар, вода), топлива (мазут), масла, воздуха, кислот и щелочей (кислой или щёлочной воды на ХВО) и т.д. Среда транспортируется под различным давлением (его создают насосы, компрессоры) - от 0,1 до 25 МПа при различной температуре - от 5 до 580С; на различные расстояния - от 1 до 4 тыс. м больше.

При проектировании (конструировании) трубопроводов поэтому учитываются различные факторы:

свойства среды определяют марку стали. Например, для воды, пара - коррозионноустойчивые стали; для кислот - кислотоупорные и т.д.;

давление определяет марку стали и толщину стенки трубопровода;

температура и расстояние определяют марку стали, трассировку трубопроводных систем (тип соединения труб, необходимые опоры).

Следовательно, компетентное проектирование трубопроводных систем должно обеспечить надёжную работу трубопроводов, трубопроводных систем и в целом ТЭС.

Различают три взаимосвязанных вида расчёта трубопроводов:

а) гидравлический расчёт. Цель - определение диаметра трубопроводов, р;

б) механический расчёт. Цель - определение толщины стенки, выбор способа компенсации термических расширений и типа компенсатора, марки стали;

в) тепловой расчёт. Цель - определение толщины тепловой изоляции, её материала.

При выполнении курсового проекта студенты выполняют следующие расчёты:

1. Предварительный выбор марки стали и диаметров труб: внутреннего ; условного прохода ; наружного .

2. Расчёт толщины стенки S и уточнение марки стали и размеров трубы по сортаменту труб при заданных параметрах среды (p и t).

3. Окончательный расчёт на прочность и самокомпенсацию трубопроводной системы с применением прикладной программы «АСТРА» на ЭВМ.

1. Исходная схема трубопроводной системы, её описание

Примечания:

1. Сосредоточенная сила действует в плоскости .

2. Размеры даны в сантиметрах.

На рис. дана исходная схема трубопроводной системы. Концы трубопровода закреплены на неподвижных опорах (Н.О.), которыми могут являться на электростанции турбина, котлоагрегат, теплообменник или др. Трубопровод проложен в различных плоскостях и состоит из трёх участков. Кроме того, на один из участков трубопровода действует сосредоточенная сила (Р_С), направление действия этой силы не совпадает ни с одной осью; имеется задвижка (Задв.).

2. Расчет диаметров труб трубопроводной системы Предварителный выбор марки стaли

Средой является водяной пар, это определили по данному давлению и температуре с помощью термодинамических таблиц [7,8]. Там же нашли удельный объём среды (3. с 52 ). Местную скорость приняли по приложению. 4 [1, с.25].

Используем уравнение неразрывности:

,

где F - площадь сечения трубы, м²;

- скорость среды, м/с.

Предварительный внутренний диаметр трубы, м:

где G - расход среды, кг/с;

- удельный объём среды, м³/кг;

- скорость движения среды, м/с.

По найденному находится ближайшее большее значение условного прохода по табл. 3.3, 3.4 [1] или из стандартного ряда по табл. 9.1 [3].

мм.

Затем по условному проходу определяем наружный диаметр по табл. 3.3, 3.4 [1] или в соответствии с табл. 9.2 [3]

мм.

S = 15 мм.

Из табл. 3.3, 3.4 [1] выбираем марку стали трубопровода. Для давления и температуры выбираем Cталь 20. ТУ 14 - 3 - 460 - 75

3. Предварительная оценка толщины стенки трубопровода

Напряжения, возникающие в металле трубопроводов, определяются в основном внутренним давлением. Дополнительно при расчёте учитываются нагрузки от самокомпенсации тепловых напряжений, собственной массы труб, массы содержащегося в трубах теплоносителя, массы тепловой изоляции.

Поэтому предварительно определяем номинальную толщину стенки трубы S, исходя из наличия внутреннего давления p, создающего растягивающее усилие:

,

где - среднее окружное напряжение от внутреннего давления, ат (или кГ/см²);

=;

-рабочее давление среды, ата (дано в задании);

- наружный диаметр трубопровода, мм (определено в 2);

S- толщина стенки трубы, мм.

Должно быть

,

где [] - допускаемое напряжение для рабочего состояния стенки (определяется по температуре и марке стали из табл. 3.5, 3.6, 3.9 [1]);

К - коэффициент, учитывающий влияние прочих сил, кроме внутреннего давления. Обычно .

Для выбранной нами стали 20 допускаемое напряжение для рабочего состояния стенки ()

.

Тогда

,

предварительная номинальная толщина стенки трубы, мм

,

где - расчётное избыточное давление в трубопроводе, ата (кгс/см²);

- наружный диаметр, мм;

- номинальное допускаемое напряжение, (кгс/мм²). В бланках заданий по программе «Астра» оно обозначается .

Подставляем все значения

мм.

По найденному S подбираем ближайшее большее целое, в мм, но оно должно быть не менее значений, приведённых в табл. 9.3 [3].

S=15 мм.

В заключение уточняем марку стали трубопровода, размеры труб по табл. 3.3, 3.4 [1] и допускаемые напряжения [] в холодном и рабочем состояниях по табл. 3.5, 3.6, 3.9 [1].

,

мм,

Допускаемые напряжения рабочего и холодного состояний для Стали 20:

(для 240С),

(для 20С).

Эти значения будут исходными при расчёте на ЭВМ по программе «Астра».

4. Формализация исходной схемы трубопроводной системы

После выбора материала, диаметра и толщины стенки производим по программе «Астра» полный расчёт на прочность и самокомпенсацию с выбором упругих опор и анализируем результаты по условиям прочности, жёсткости и допустимых усилий на неподвижные опоры (присоединённое оборудование).

Для расчёта трубопровода по программе «Астра» данную схему следует формализовать и заполнить специальные бланки исходных данных.

Для формализации схемы трубопровода вводится система координат , где ось направлена вверх, а оси и - в горизонтальной плоскости. Эти оси характеризуют трассировку трубопровода, в частности, изменение его направления.

Затем нумеруем неподвижные опоры. Расстояния между неподвижными опорами соответствуют участкам трубопроводной системы. Неподвижная опора, получившая номер 1, становится началом координат «0».

Затем, продвигаясь от неподвижной опоры номер 1 к неподвижной опоре номер 2, нумеруем сечения (по порядку). Причём сама неподвижная опора номер 1 является сечением номер 0.

Исходную схему с неподвижными (Н.О.), упругими (У.О.), скользящими (С.О.) опорами, задвижкой (Задв.) и сосредоточенной силой () заменяем формализованной с обозначением системы координат . На формализованной схеме трубопроводной системы слева направо последовательно наносим сечения. 1-я неподвижная опора является сечением номер 0. Во втором сечении находится первая скользящая опора. У отвода с двух сторон - номера сечений 2,3; следующее - сечение у скользящей опоры - номер 4; далее - у отвода с двух сторон - номера 5,6; у сосредоточенной силы - номер 7; у отвода с двух сторон - 8,9; у упругой опоры - 10; задвижка расположена в сечении-11,12; и у второй неподвижной опоры - номер 13.

Нумеруем отрезки: отрезок 0 - 1 получает номер 1, отрезок 1 - 2 - номер 2 и т.д. Задвижка также является отрезком (номер 2). Всего по рисунку 13 отрезков, 13 сечений.

Затем для расчёта на ЭВМ по программе «Астра» приступаем к заполнению двух бланков заданий:

а) заглавного «Исходные данные системы»;

б) бланка-описания участка «Исходные данные участка».

5. Краткая характеристика прикладнЫХ программ «Астра» и «StEEL»

Программа «Астра» широко применяется при проектировании трубопроводных систем ТЭС и АЭС, конструктивных изменениях трубопроводных систем. «Астра» позволяет с помощью ЭВМ произвести расчёт трубопроводов и их систем на прочность и самокомпенсацию, т.е. определение возникающих сил и напряжений. Каждый из трубопроводов ТЭС, АЭС работает в широком диапазоне режимов - давлений, температур, расходов. Трубопроводная система воздействует на оборудование, к которому присоединяется. Программа «Астра» позволяет производить расчёты трубопроводов и их систем в следующих режимах:

– холодное состояние, т.е. прочность трубопроводов при монтаже, при максимальном пробном давлении при гидравлическом испытании;

– процесс нагревания трубопровода;

– горячее состояние при максимальных параметрах среды;

– процесс охлаждения.

Программа увязана с объёмным информационным обеспечением - банком данных по трубопроводам, опорам, стандартам и другой информацией.

В результате расчёта выдаются данные по напряжениям на отдельных участках трубопроводных систем, которые проектировщик (конструктор) анализирует, сравнивает с допустимыми и принимает окончательное решение о надёжности исследуемой трубопроводной системы. «Астра» позволяет также произвести выбор пружин для пружинных (упругих) опор, определить нагрузки на них в холодном и рабочем состояниях, установить степени затяжек пружин при монтаже и осадку их в рабочем состоянии.

Программа STEEL является одной из многочисленных программ информационного обеспечения САПР, содержит информацию по характеристикам сталей. Это самостоятельная программа, автоматический ввод характеристик сталей в другие программы отсутствует, поэтому пользователь фиксирует характеристики сталей на бумаге.

Введя теплофизические характеристики сталей и соответствующие им идентификаторы в информационную программу STEEL зафиксируем полученные на экране значения:

6. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ расчёта трубопроводной системы на прочность по программе «Астра»

6.1 Заполнение заглавного бланка «Задание для расчёта трубопроводной системы на прочность с учётом сил трения по программе «Астра». Исходные данные системы

Регистрационный номер расчёта: это номер варианта - «15».

Название объекта: «Трубопроводы АЭС».

Дополнительные сведения: «Студент Иванов Д.А., гр. 106621».

Далее идёт таблица , имеющая восемь пустых клеток. Слева от них наименования величин, вносимых в клетки.

Номер расчёта. Вводим «1», то есть полный расчёт с выбором упругих опор.

Число участков. Вводим 1 (Как на формализованной схеме).

Число узлов. В нашем варианте узлов нет, поэтому вводим 0.

Количество приближений при выборе упругих опор, S1. Принимаем 2.

Коэффициент перегрузки, . Принимаем 1,4.

Задаваемое изменение нагрузки на упругую опору при переходе из рабочего состояния в холодное, %. Принимаем 35.

Условная жёсткость упругих опор (кГ/см), . Принимаем 1000000.

Коэффициент запаса по нагрузке упругих опор (1,0 - 1,3), К. Принимаем 1,1.

Признак печати исходных данных . Не заполняем

Признак выбора отраслевой нормали подбора пружин . Это закодировано в информационном обеспечении программы. Если , то пружины подбираются по МВН. Если , то - по ОСТ. Заполняем «1».

Таблицу «Опоры скольжения узлов» не заполняем, так как узлов в схеме нет.

В заключение заполняется штамп и на этом оформление заглавного бланка закончено.

6.2 Заполнение бланка-описания участка «Задание (продолжение) для расчёта трубопроводной системы на прочность по программе «Астра». Исходные данные участка»

Таблица «Общие данные»

Начало участка, . Записываем номер первой неподвижной опоры, то есть 1.

Конец участка, . Записываем «2» (номер второй неподвижной опоры).

Число отрезков, . Определено при формализации схемы трубопровода. По схеме записываем «13».

Расчётное внутреннее давление, р, ата (кГ/см²), . Из задания на курсовое проектирование. Записываем «2,7».

Модуль упругости для рабочего состояния, , ата (кгс/см²), . Используем полученные при помощи программы STEEL данные. Записываем «1745000».

Модуль упругости для холодного состояния, , ата (кгс/см²), . Аналогично, используя данные программы STEEL. Записываем «2020000».

Допускаемое напряжение для рабочего состояния, (ранее обозначалось по стандарту [] при ), (кгс/см²), . Было определено в разделе 3 и уточнено по программе STEEL. Записываем «1335».

Допускаемое напряжение для холодного состояния, (ранее обозначалось по стандарту [] при ), ата (кгс/см²), . Аналогично, записываем «1470». Допускаемая амплитуда напряжений для прямолинейных труб, , , . Находим в зависимости от числа циклов, определяемого по приложению 3 [3]. 3000 циклов. Допускаемая амплитуда напряжений для криволинейных труб, , . Находим тем же образом Равномерно распределённая нагрузка, , , , кгс/см, . Она вызвана весом трубопровода на 1 см его длины в проекциях на оси координат соответственно , , . Вес трубопровода направлен вниз. Поэтому проекции на оси , отсутствуют, то есть , а нагрузка (в проекции на ось ) записывается в бланке со знаком «минус» и определяется следующим образом:

,

Здесь - вес 1 см собственно трубы, кг/см:

,

кгс/см³ - удельный вес стали 20. Его определили по табл. 2.19 [1];

кгс/см.

- вес тепловой изоляции в расчёте на 1 см длины. Определяем по таблице 7.2 [1] в зависимости от мм и . В таблице 7.2 [1] приведён вес изоляции на 1 м длины, переводим в см.

,

- вес среды, кгс/см. Так как в трубопроводе транспортируется пар, у которой эта величина невелика, ей пренебрегаем.

.

Расчётная разность температур, , С. . Это разность между рабочей температурой и температурой наружного воздуха

.

Записываем «220».

Коэффициент линейного расширения, , . . Определили в программе STEEL. Записываем «0,0000116».

Номинальный наружный диаметр трубы, , см, . Уже определён, записываем «426».

Номинальная толщина стенки трубы, S, см, . Уже определена, записываем «15».

Допуск на утонение стенки трубы, , см. . Он показывает возможность изготовления трубы на заводе с несколько более тонкой стенкой, чем требуется. Обычно «» принимается в размере 10% номинальной толщины стенки трубы, записываем «0,15».

Коэффициент прочности поперечного сварного стыка, . . Определяется по таблице 4.9 [1] или берётся из программы STEEL; записываем «0,9».

Коэффициент прочности продольного сварного стыка, . . Определяется по таблице 4.8 [1] или берутся результаты использования программы STEEL; записываем «0.85».

Коэффициент усреднения компенсационных напряжений, а также показатель ползучести учитывают влияние ползучести металла, которое становится заметным лишь при расчётной температуре свыше 426С. Поэтому, если , то заранее фиксированы значения запишутся: (или ХI) = 1; б (или ДЕLM) = 1; m (или М) = 0.

Начальная эллиптичность сечения криволинейной трубы, а, %. . Обычно . (Появляется при изготовлении изогнутых частей - отводов). Записываем «3».

Смещение концов трубопровода от присоединённого оборудования (возможные при монтаже). Считаем, что они отсутствуют - оставляем графы пустыми.

Тройники - отсутствуют, поэтому данные строки в таблице не заполняем.

Таблица задаёт «геометрию» трубопровода. Все величины задаются в сантиметрах.

Поместив начало координат в первую неподвижную точку, записываем координаты каждого сечения. Например, для сечения «0» координаты . Радиус гиба прямолинейных участков задаются нулями. Если сечение расположено в конце криволинейных отрезков то задаются координаты не самого сечения, а координаты «вершины поворота» А (рис. ). При этом координаты предыдущего сечения заменяются нулями. Записи для криволинейного отрезка относят к конечной точке поворота (в частности, сечению номер 3).

Столбец «длина отрезка». . Не заполняем.

Заполнение таблицы заканчивается последним сечением, в нашем варианте номером 13 .

«Отличающиеся значения»

Таблица описывает арматуру трубопровода: задвижки, вентили, обратные клапаны, изменение диаметра или толщины стенки

Номер сечения начала смены - номер отрезка, являющегося задвижкой (в нашем варианте 1).

Номер сечения конца смены - не заполняется, так как изменение охватывает лишь один отрезок.

, см - диаметр, в нашем случае он равен наружному диаметру трубы: 426,0 см.

S, см - толщина стенки задвижки, принимаем в два раза больше номинальной толщины трубопровода: «15».

, см - допуск на утонение. Принимаем 10% от толщины стенки задвижки: «0,15».

, кГ/см - равномерно распределённая нагрузка (также со знаком «минус»).

,

где - так же, как в подразделе 6.2;

= - вес задвижки на 1 см длины, кГ/см;

- длина задвижки, см, дана в задании:40;

- вес задвижки, кГ (дан в задании): 370.

,

.

Больше арматуры на схеме нет, заполнение таблицы заканчиваем.

Таблица «Сосредоточенные силы»

При монтаже трубопровода возможно воздействие на него со стороны других трубопроводов и строительных конструкций в виде сосредоточенных сил .

В таблицу заносим номер сечения и значение силы в проекциях на оси координат.

Таблица «Монтажный растяг в местной системе координат»

Холодная растяжка трубопровода (монтажный натяг) производится для уменьшения напряжений в П-образных, линзовых компенсаторах при рабочем состоянии трубопровода, а также для уменьшения нагрузки, передаваемой на оборудование.

Учёт монтажной растяжки в расчёте трубопровода на прочность допускается в случае, когда гарантируется её выполнение в строгом соответствии с данными проекта. Если качество выполнения монтажной растяжки не гарантируется, рекомендуется рассчитывать трубопровод на прочность без её учёта. В этом случае положительный эффект монтажной растяжки обосновывают и относят к неучитываемым факторам, повышающим запас надёжности трубопровода.

По этим причинам таблицу «Монтажный растяг» в бланке описании участков не заполняем.

Таблица «Жёсткости труб для компенсатора»

Таблица описывает имеющиеся на схеме линзовые компенсаторы. По причине их отсутствия схеме таблица не заполняется.

На этом заполнение бланка-описания участка заканчивается, и все бланки передаются оператору ЭВМ для расчёта.

7. РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА САМОКОМПЕНСАЦИЮ ПРИ ПОМОЩИ ОЦЕНОНОГО МЕТОДА

По кривой зависимости приведенной температурной деформации стали от рабочей температуры для температуры 240 ⁰С находим значение n = , соответствующего допускаемому напряжению металла.

Определяем развернутую длину трубопровода

L = L₁+L₂+L₃+L₄+L₅ = 600+800+460+620+150=2630

Находим расстояние между неподвижными опорами.

Определяем критериальные параметры, которые для этого случая будут равны:

По графику для приближенной оценки компенсирующей способности трубопровода находим точку с координатами X = и Y =

График для приближенной оценки компенсирующей способности трубопровода. Расчетная точка попала в зону

8. АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ЗАДАННОЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ

Для проведения анализа трубопроводной системы необходимо остановится на рассмотрении причин, вызывающих появление напряжений в металле труб.

На напряжения, возникающие в металле конструкций, влияют:

- нагрузки от собственной массы труб;

- внутреннее давление;

- нагрузка от массы изоляции;

- нагрузка от самокомпенсации тепловых напряжений.

На участок трубопровода внутреннее давление вызывает нормальные напряжения и . Дополнительные нагрузки, особенно самокомпенсации, приводят к появлению напряжения от изгиба (может быть вызвано и изгибающим моментом при действии веса), кручения (вызвано только крутящим моментом).

, , , ,

где р - внутреннее давление среды;

- диаметры в сантиметрах;

S - толщина стенки, см;

- изгибающий момент, кгс/см;

- коэффициент, учитывающий изменение наибольшего продольного напряжения на изгиб в изогнутой трубе по сравнению с прямой, для продольной трубы он равен 1;

I - осевой момент инерции поперечного сечения трубы, см⁴;

- крутящий момент, кгс/см.

При известных и определяют приведённое напряжение, то есть совокупность действующих напряжений:

.

Основная трудность при расчёте трубопровода на прочность и самокомпенсацию (определение ) составляет определение значений изгибающего и крутящего момента. Введём в составляющую напряжения от давления

и от изгиба

.

И тогда, при приведённое напряжение путём преобразований сведётся:

Для изогнутой трубы в наиболее напряжённом сечении отрезка трубопровода рассчитывают местное значение приведённого напряжения:

,

где - коэффициент, определяющий поперечное напряжение изгиба. Для труб с геометрическим коэффициентом

.

8.1 Анализ первоначальной трубопроводной системы

Результаты расчётов на этапе №1 удовлетворительны: Максимальные перемещения по всем осям составляют менее одного сантиметра

Результаты расчётов на этапе №3 удовлетворительны. Максимальные перемещения по всем осям составляют менее одного сантиметра. Эквивалентное напряжение во всех сечениях трубопровода значительно меньше допускаемого. Силы трения опор скольжения во всех сечениях в рамках допустимого. Результаты расчёта на этапе №2Б удовлетворительны: Перемещения по осям в пределах допустимого. Результаты расчёта на этапе №4 удовлетворительны Марка стали и толщина стенки выбраны верно.

8.2 Анализ окончательной трубопроводной системы

В ходе промежуточных расчетов на ЭВМ было установлено, что усилия на неподвижные опоры в любом сечении не превышают 10000 кгс. Вектор суммарного перемещения любого сечения также не превысил 5 см. Следовательно трубопровод выбран правильно и выдержит заданные нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте мы изучили основы конструирования и системы автоматизированного проектирования трубопровода. Ознакомились с методикой расчёта трубопроводной системы, её особенностями, такими как выбор марки стали в зависимости от параметров среды свойства среды, например, для воды, пара - коррозионноустойчивые стали; для кислот - кислотоупорные и т.д., выбор толщины стенки трубопровода. Одно из самых важных мест в данной работе занял расчёт на прочность по программе “Астра”. Это позволило нам закрепить знания и приобрести навыки проектирования технологических коммуникаций на тепловых электростанциях и тепловых сетях, так как от грамотного конструирования этих систем во многом зависит работа указанных объектов.

Литература

1. Никитина И.К. Справочник по трубопроводам тепловых электрических станций. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 176 с., ил.

2. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплотехнические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. - 424 с., ил.

3. Основы конструирования САПР. Методическое пособие к курсовому проектированию по дисциплине “Основы конструирования и системы автоматизированного проектирования” для студентов специальности 10.05 - “Тепловые электрические станции”. И.Ф. Акулич, Н.В. Муковозчик, В.К. Балабанович, В.А. Чиж.

Размещено на Allbest.ru