Расчет и конструирование трубопроводных систем с использованием фрагментов информационного и программного обеспечения системами автоматизированного проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Энергетический факультет

Кафедра «ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ»

Группа 106412

Курсовой проект

ПО ДИСЦМПЛИНЕ «Основы конструирования и САПР»

на тему:

Расчет и конструирование трубопроводных систем с использованием фрагментов информационного и программного обеспечения САПР

Исполнитель: Шкребова Н.В.

Руководитель: Седнин А.

2004

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Исходная схема трубопроводной системы. Ее описание

2.Предварительный выбор марки стали и диаметров трубопроводной системы

3.Предварительный расчет толщины стенки трубы

4.Формализация исходной схемы трубопроводной системы

5.Подготовка исходных данных для расчета на прочность трубопроводной системы

6. Оценка компенсирующих свойств трубопроводной системы по приближенному методу

7.Анализ прочности исходной трубопроводной системы

8.Спецвопрос

9.Результаты расчета на прочность трубопроводной системы на ЭВМ

Заключение

Литература

Приложение 1

Приложение 2

ВВЕДЕНИЕ

Трубопроводы ТЭС служат для связи отдельных элементов тепловой схемы станции. Назначение трубопроводов, применяемых для энергетических установок,- транспортирование рабочей среды.

На ТЭС трубопроводы служат для транспортировки рабочего тела: пара (на паротурбинных ТЭС, АЭС); газа (на 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.

Трубопроводы ТЭС являются сложными конструкциями, состоящими из следующих основных элементов:

-) собственно труб;

-) средств соединения труб;

-) фасонных изделий;

-) трубопроводной арматуры;

-) всевозможных видов опор и подвесок, необходимых для крепления систем.

Основные типы трубопроводов на ТЭС: главные паропроводы от котлов к турбинам, трубопроводы питательной воды до деаэраторов к котлам, трубопроводы пара промежуточного перегрева.

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.

При проектировании (конструировании) трубопроводов 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;

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

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

На рис.1 представлена исходная схема трубопроводной системы. Концы трубопровода закреплены на неподвижных опорах (Н.О.), которыми могут являться на ТЭС турбина, котлоагрегат, теплообменник или др.На трубопроводе расположены три скользящие (С.О.) и одна упругая опоры (У.О.). На один из участков трубопровода действует сосредоточенная сила (РС), направление действия которой не совпадает ни с одной осью; имеется задвижка.

Исходные данные:

в системе пар с параметрами P = 130 ата и Т = 560?С. Расход рабочей среды G = 400 т/ч;

величина сосредоточенной силы РС = 34 кгс, действующей под углом ? = 60?;

длина тяги упругой опоры lтяги = 140 см. Количество тяг n = 2;

вес задвижки Pз = 200 кгс, длина lз = 40 см.

срок службы трубопровода ? = 200000 ч.



рис.1 Исходная схема трубопроводной системы.

Примечания:

1.Сосредоточенная сила

действует в плоскости .

2.Размеры даны в см.

2 предварительный выбор марки стали и диаметров трубопроводной системы

По данному давлению и температуре с помощью термодинамических таблиц [3] определили, что средой является перегретый водяной пар. Удельный объём среды . Для паропроводов промежуточного горячего перегрева приняли местную скорость .[2, прилож. 4]. Используем уравнение неразрывности:

,

где

F- площадь сечения трубы, м2;

? - скорость среды, м/с.

Предварительный внутренний диаметр трубы:

,

где

G- расход среды : ;

- удельный объём среды, м3/кг;

- скорость движения среды, м/с.

По найденному , , находим ближайшее большее значение условного прохода :. [1, табл.3.4]По условному проходу определяем наружный диаметр [1,табл. 3.4]. Выбираем марку стали трубопровода. Для давления и температуры выбираем Cталь 15Х1М1Ф ТУ 14-3-460-75 [1,табл.3.4].

Для этой стали [?] = [?]560 = 5.7 кгс/мм?. [1, табл. 3.5].

3 предварительный расчет толщины стенки трубы

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, кгс/см2;

;

рабочее давление среды, кгс/см2; (дано в задании);

наружный диаметр трубопровода, мм (определено в п.2);

толщина стенки трубы, мм.

,

где

[] - допускаемое напряжение для рабочего состояния стенки . [?] = [?]560 = 5.7 кгс/мм?. [1, табл. 3.5].

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

К = 1.1 [ 2, стр. 12].

Тогда

;

Предварительная номинальная толщина стенки трубы:

,

где

- расчётное избыточное давление в трубопроводе, кгс/см2. = 134.3-1=133.3 кгс/см?.

- наружный диаметр. = 377 мм.

Подставляем все значения:

По найденному S подбираем ближайшее большее целое S=50мм. В заключение уточняем марку стали трубопровода, размеры труб и допускаемые напряжения [] в холодном и рабочем состояниях [1,табл. 3.4, 3.6]. Сталь 15Х1М1Ф Т 14-3-460-75:

,

;

Допускаемые напряжения рабочего и холодного состояний для стали 15Х1М1Ф:

(для 560С),

(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 .

Формализованная схема приведена на рис.4. На формализованной схеме трубопроводной системы слева направо последовательно наносим сечения. 1-я неподвижная опора является сечением номер 0. Во втором сечении находится задвижка. Следующее - сечение у скользящей опоры - номер 3; далее - у отвода с двух сторон - номера 4,5; у скользящей опоры - номер 6; у отвода с двух сторон - 7,8; у упругой опоры - 9; далее у отвода с двух сторон - номера 10,11; сечение у скользящей опоры - 12; сечение у сосредоточенной силы - 13; у отвода с двух сторон - номера 14,15; и у второй неподвижной опоры - номер 16 (рис. 2).

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 16 отрезков, 16 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».

рис.4 Формализованная схема трубопроводной системы.

5 подготовка исходных данных для расчета на прочность трубопроводной системы

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 - «3».

Название объекта: «Трубопроводы ТЭС».

Дополнительные сведения: «Студент Шкребова Н.В. , гр. 106412».

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

Номер расчёта. Вводим «1», т.е. полный расчёт с выбором упругих опор.

Число участков. Вводим «1».

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 (кгс/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.

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

Таблица «Общие данные»

Начало участка, (номер первой неподвижной опоры).

Конец участка, (номер второй неподвижной опоры).

Число отрезков, . Определено при формализации схемы трубопровода.

Расчётное внутреннее давление, р, кгс/см2 . Из задания на курсовое проектирование. .

Модуль упругости для рабочего состояния,,кгс/см21738000.[1,табл.2.25 при ].

Модуль упругости для холодного состояния, , кгс/см2, 2140000. [1, табл.2.25 при ].

Допускаемое напряжение для рабочего состояния, (ранее обозначалось по стандарту [] при ), кгс/см2. .

Допускаемое напряжение для холодного состояния, (ранее обозначалось по стандарту [] при ), кгс/см2, 1730.

Допускаемая амплитуда напряжений для прямолинейных труб, , кгс/см2,. [1, рис. 5.1].

Допускаемая амплитуда напряжений для криволинейных труб, , кгс/см2, 4800.

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:

,

где

- вес 1 см собственно трубы, кгс/см:

,

где

кгс/см3 - удельный вес стали15Х1М1Ф [1, табл. 2.29].

.

- вес тепловой изоляции в расчёте на 1 см длины.[1, табл.7.2 в зависимости от и .2]. ,

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

.

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

.

Коэффициент линейного расширения, , . .[1, табл. 2.29 по марке стали и ].

Номинальный наружный диаметр трубы, , см. .

Номинальная толщина стенки трубы, S, см. .

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.

Коэффициент прочности поперечного сварного стыка, . .[1, табл. 4.9 для хромолибденованодиевой стали при для механически обработанных труб].

Коэффициент прочности продольного сварного стыка, . [1, табл. 4.8 для хромолибденованодиевой стали].

Коэффициент усреднения компенсационных напряжений, а также показатель ползучести учитывают влияние ползучести металла, которое становится заметным лишь при расчётной температуре свыше 370С.

Коэффициент усреднения компенсационных напряжений . XI=0.48.

Коэффициент релаксации компенсационных напряжений ?. ДЕLM = 0.95.[1, рис. 5.3 для стали 15Х1М1Ф ].

Показатель ползучести металла, m. M= 3,12. [2, прилож. 5].

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

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 «Координаты»

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

Сечение	X1	X2	X3	Радиус гиба R
0	0	0	0	0
1	0	160	0	0
2	0	200	0	0
3	0	400	0	0
4	0	0	0	0
5	0	600	0	37.7
6	-110	600	0	0
7	0	0	0	0
8	-300	600	0	37.7
9	-300	600	220	0
10	0	0	0	0
11	-300	600	450	37.7
12	-300	880	450	0
13	-300	930	450	0
14	0	0	0	0
15	-300	1000	450	37.7
16	-300	1000	200	0

трубопроводный система расчет прочность

Записываем:

X1 = 6*0, -110, 0,-300,-300,0, 3*-300,0,-300,-300,

X2 = 0,160,200,400,0,600,600,0,600,600,0,600,880,930,0,1000,1000,

X3 =9*0 ,220,0 ,3*450,0,450,220,

R = 5*0,37.7,0,0,37.7,0,0,37.7,3*0,37.7,0.

Таблица «Опоры скольжения».

Задаются номера сечений, в которых расположены опоры скольжения: NSSO = 3,6,12. Условные жесткости по осям Х1 и Х2: XS1= XS2 =0 (так как С.О. не препятствует перемещению трубопровода в горизонтальной плоскости). По оси Х3: XS3 ? 1000000 кгс/см, так как опора препятствует перемещению вниз. Коэффициент трения: FT = 0.3.

Таблица «Упругие опоры».

Определяются сечения, в которых имеются упругие опоры: NSUO = 9.

Количество тяг упругой опоры задается в задании на курсовое проектирование:

UN = 2.

Длина тяги: UL = 140.

Таблица «Отличающиеся значения»

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

Номер сечения начала смены - номер отрезка, являющегося задвижкой: NSDS = 2.

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

, см - диаметр, равный наружному диаметру трубы: DHM = 46.5 см.

S, см - толщина стенки задвижки, принимаем в два раза больше номинальной толщины трубопровода: SM = 16.

, см - допуск на утонение. Принимаем 10% от толщины стенки задвижки:CMI = 1.6.

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

,

где

- так же, как в подразделе 5.2;

= - вес задвижки на 1 см длины, кгс/cм;

- длина задвижки (дана в задании);

- вес задвижки, (дан в задании).

,

.

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:

NSP = 13 - номер сечения, в котором действует сосредоточенная сила;

P1= 0 - проекция силы на ось Х1;

P2 = Pc*cos? = 310*cos60? = 155 - проекция силы на ось Х2 ;

P3 = Pc*sin? = 310*sin60? = -268.4 - проекция силы на ось Х3.

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.

6. Оценка компенсирующих свойств трубопроводной системы по приближенному методу

1. Для температуры 560?С и стали 15Х1М1Ф находим n = 15, соответствующее допускаемому напряжению металла [ 1, рис.5.5].

2.Развернутая длина трубопровода:

L = L1+L2+L3+L4+L5 = 600+300+450+400+250 = 2000

3.Расстояние между неподвижными опорами:

X1 = -110см; X2 = 600+400 = 1000см; X3 = 450-250 = 200см. а = 1026см.

4.Определим критериальные параметры:

X=L/a-1 = 2000/1026-1 = 0.9493

Y = n*Dн/L = 15*37.7/2000 = 0.2828

5.По графику на рис. 5.4 [1] находим точку с координатами:

Х = 0.9493; Y = 0.2828

Эта точка располагается в зоне С (рис.6 ), следовательно самокомпенсация отсутствует.

Размещено на http://www.allbest.ru/

рис.6

7 Результаты расчета на прочность заданной трубопроводной системы

Результаты расчета по программе «Астра» содержат следующую информацию:

-) напряжения в трубопроводах ( по каждому сечению);

-) перемещение каждого сечения по осям координат;

-) выбранные упругие опоры;

-) усилия на неподвижные опоры;

-) усилия на скользящие опоры.

Результаты расчета на прочность трубопроводной системы приведены в приложении 1.

8. СПЕЦВОПРОС: «СКОЛЬЗЯЩИЕ ОПОРЫ»

Крепление станционных трубопроводов осуществляется при помощи специально разработанных для этой цели опор и подвесок. Правильная расстановка опор и подвесок, выбор их типа и конструкции обеспечивают нормальные условия работы станционных трубопроводов и влияют на надежность работы. Основное назначение опор и подвесок- восприятие весовых нагрузок трубопровода. Кроме того, в случае необходимости они должны обеспечивать требуемое перемещение трубопровода в месте их установки, воспринимать усилия от тепловых его перемещений, а в некоторых случаях предохранять трубопровод от возможных вибраций.

Каждая опора или подвеска состоит из узла крепления к трубе (ушек, хомутов, подушек и пр.), узла крепления к строительной конструкции или оборудованию (балок, консолей, кронштейнов, бетонных тумб и др.) и промежуточных элементов, соединяющих эти узлы (тяг, стоек и др.). Конструкция опоры и подвески в целом зависит от параметров транспортируемой трубопроводом среды, диаметра трубопровода, перемещения точки установки опоры трубопровода, трассировки закрепляемого участка, а также от воспринимаемых нагрузок. Детали опор и подвесок, непосредственно крепящиеся к трубе трубопровода, должны выполняться из материала, способного надежно работать в условиях эксплуатации трубопровода.

Опоры станционных трубопроводов делятся на два основных типа:

-) неподвижные опоры, которые не допускают в месте их установки перемещения и поворота трубопровода;

-) подвижные опоры, обеспечивающие свободу перемещения трубопровода в заданном направлении и предохраняющие его в случае необходимости от вибраций.

К подвижным опорам относятся скользящие опоры, обеспечивающие перемещения горизонтального трубопровода в двух направлениях (вдоль и поперек оси) и повороты в горизонтальной плоскости с запретом вертикального перемещения. Из всех подвижных опор скользящие опоры являются наиболее простыми по своему исполнению. Однако из-за значительного сопротивления перемещениям, создаваемого трением скольжения и достигающего 30-40% нагрузки на опору, ограничивается применение скользящих опор. Так как продольные (осевые) составляющие сил трения передаются на неподвижные точки крепления трубопровода, неподвижные опоры в этом случае должны рассчитываться на значительные усилия, что не всегда возможно осуществить. Поперечные составляющие сил трения (перпендикулярные оси) вызывают дополнительные изгибающие напряжения в трубопроводе. Поэтому на ответственных трубопроводах скользящие опоры устанавливать не рекомендуется. Применять эти опоры следует в точках с малыми поперечными перемещениями.

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, 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.

Анализируя проведенный расчет приходим к выводу, что трубопровод при заданных параметрах не работоспособен.

ЛИТЕРАТУРА

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

2.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.

3.Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. - М.: Энергия, 1965.-400с.

Размещено на Allbest.ru