Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих струкций
1.1. Назначение, конструкции и технологии монтажа ремонтных муфт
1.2. Напряженное состояние ремонтных конструкций
1.3. Влияние технологии сварки на ресурс сварного соединения муфты с трубой
1.4. Методы анализа напряженного состояния
1.5. Способы повышения несущей способности ремонтных конструкций
1.6. Выводы по главе I
Глава 2. Разработка методики повышения ресурса ремонтных конструкций
2.1. Разработка подходов к повышению ресурса ремонтных конструкций
2.2. Методика численного анализа напряженного состояния ремонтных конструкций
2.2.1 Методика моделирования напряженного состояния оболо чек, работающих под давлением в ПК «Сварка»
2.2.2. Реализация модели изотропного материала с трансляционным упрочнением
2.2.3. Критерий выбора рациональных параметров усиливающих конструкций
2.2.4. Моделирование роста трещины в ремонтной конструкции
2.3. Методика исследования влияния технологии сварки на ре
сурс сварного соединения
2.4. Методика испытаний натурных образцов 65
2.5. Выводы по главе 2 67
Глава 3. Анализ способов повышения ресурса ремонтных конструкций
3.1. Разработка компьютерных моделей ремонтных муфт и разрезных тройников 69
3.2. Анализ способов повышения ресурса гладких муфт
3.2.1. Анализ работы ремонтной конструкции под давлением 72
3.2.2. Численное моделирование способов повышения ресурса муфт 76
3.3. Анализ способов повышения ресурса разрезных тройников 86
3.3.1. Анализ работы разрезных тройников под давлением 86
3.3.2. Численное моделирование способов повышения ресурса разрезных тройников
3.4. Рост трещины в сварном соединении разрезного тройника 91
3.5. Выводы по главе 3 93
Глава 4. Экспериментальные исследования ресурса сварных соединений ремонтных конструкций 95
4.1. Исследование влияния технологических факторов на лабораторных образцах 95
4.1.1. Воспроизведение технологии монтажа муфты 98
4.1.2. Результаты испытания лабораторных образцов 99
4.2. Изучение ресурса ремонтных конструкций на натурных образца 104
4.2.1. Особенности технологии сборки и сварки образцов тройников 104
4.2.2. Анализ результатов испытаний
4.3. Результаты испытаний ремонтных конструкций 111
4.4. Выводы по главе 4 113 Стр.
Глава 5. Разработка долговечных ремонтных конструкций 115
5.1. Разработка конструкции разрезного тройника с повышенным ресурсом 115
5.2. Разработка универсальной долговечной конструкции ремонтной муфты
5.2.1. Особенности конструкции муфты 118
5.2.2. Особенности монтажа ремонтной муфты 122
5.2.3. Влияние остаточных сварочных напряжений на ресурс сварного соединения муфты с трубой 125
5.2.4. Перспективы применения разработанной конструкции муфты 128
5.3. Выводы по главе 5 129
Общие выводы по работе 130
Литература
- Влияние технологии сварки на ресурс сварного соединения муфты с трубой
- Критерий выбора рациональных параметров усиливающих конструкций
- Численное моделирование способов повышения ресурса разрезных тройников
- Разработка универсальной долговечной конструкции ремонтной муфты
Введение к работе
Актуальность работы. При повреждении нефтепровода требуется оперативно ремонтировать дефектный участок. Установка ремонтной конструкции (муфты) является эффективным способом ремонта, поскольку позволяет проводить его без остановки перекачки нефти. Это актуально при прокладке нефтепровода как в населенных местностях, где возможны несанкционированные врезки для кражи нефти, так и труднодоступных и сейсмоопасных районах, где повышаются вероятность возникновения дефектов и затруднен оперативный ремонт. Одним из условий ввода в строй нефтепровода Восточная Сибирь – Тихий океан была разработка технологии его ремонта и создание запаса муфт. Установка муфты должна обеспечивать не временный, а капитальный ремонт, т. е. гарантировать работу до конца срока эксплуатации. Этот срок в настоящее время составляет 30 лет, в течение которых нефтепровод испытывает в среднем 10000 сбросов давления. Развитие нефтепроводного транспорта (повышение пропускной способности и продление срока службы нефтепроводов) приводит к тому, что даже те ремонтные конструкции, которые соответствуют современным требованиям, в перспективе становятся слабым звеном.
Большое разнообразие и появление все новых конструкций муфт свидетельствует о том, что традиционные средства разработки не обеспечивают создания эффективных муфт с заданными параметрами. Нередко обеспечение необходимого ресурса достигается за счет увеличения их размеров и массы. Такие муфты непригодны для оперативного ремонта из-за трудностей их транспортировки, сложности и длительности монтажа.
Снижение массы возможно за счет выбора рациональных формы и геометрических параметров конструкции. Применение научно-обоснованных подходов к проектированию и оценке ресурса ремонтных муфт является весьма актуальной задачей.
Цель работы – обеспечение полного восстановления ресурса участка нефтепровода в результате ремонта.
Задачи исследований:
-
Проанализировать существующие конструкции ремонтных муфт и известные методы повышения их ресурса.
-
Разработать методическое обеспечение для моделирования процессов, протекающих при установке ремонтных муфт и эксплуатации отремонтированных участков нефтепроводов.
-
Провести оценку влияния технологии сварки на ресурс муфт.
-
Выявить причины, лимитирующие ресурс ремонтных муфт, и разработать рациональные варианты ремонтных конструкций.
-
Оценить работоспособность разработанных конструкций муфт по результатам натурных испытаний.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись расчетные и экспериментальные методы исследований.
Расчетные методы включали в себя моделирование процессов распространения теплоты при сварке и образования остаточных сварочных деформаций, а также расчет напряженно-деформированного состояния при эксплуатации ремонтных
конструкций с помощью программного комплекса «Сварка», реализующего метод конечных элементов.
Экспериментальные исследования включали испытания лабораторных образцов, имитирующих условия нагружения шва, и натурных образцов в виде участка трубопровода с установленной муфтой. Испытания лабораторных образцов проведены для исследования влияния технологии сварки на ресурс сварного соединения. Испытания натурных образцов проведены для подтверждения адекватности расчетных моделей и результатов расчета.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлено, что главной причиной разрушения кольцевого сварного шва является взаимный поворот стенок трубы и муфты, приводящий к дополнительному растяжению в корне шва.
-
Установлено, что причиной пониженной долговечности сварных разрезных тройников является поперечная утяжка металла магистрали тройника в зоне высоких растягивающих кольцевых напряжений. Вследствие этого на участок кольцевого шва рядом с патрубком действует дополнительная растягивающая нагрузка.
-
Установлены зависимости долговечности ремонтных конструкций от их конструктивных параметров.
На защиту выносятся:
-
Методика восстановления ресурса участка нефтепровода с помощью сварных муфт.
-
Установленные в результате применения разработанной методики факторы, лимитирующие ресурс муфт, а также наиболее эффективные пути повышения ресурса.
-
Результаты экспериментальных и расчетных исследований влияния технологии сборки и сварки муфт на ресурс сварных соединений.
Практическая значимость работы заключается во внедрении разработанных ремонтных конструкций и технологий их монтажа в нефтетранспортной отрасли. Соответствующие изменения внесены в нормативный документ ПАО «Транснефть» РД-75.180.00-КТН-274-10.
Результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению на предприятиях ПАО «Транснефть», ПАО «Газпром», ЗАО «СтройТрансГаз» и на других машиностроительных предприятиях нефтяной и газовой промышленности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном семинаре кафедры технологий сварки и диагностики МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2016 г.), на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2016 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 7 научных статей, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, литературы из 107 наименований. Общий объем работы 142 страницы, в которых содержится 89 рисунков и 10 таблиц.
Влияние технологии сварки на ресурс сварного соединения муфты с трубой
Главным компонентом нагрузки на трубопровод является внутреннее давление перекачиваемого продукта. В нефтепроводе, в связи с особенностями оборудования и режимами работы нефтеперекачивающих станций, рабочее дав 15 ление периодически падает практически до нуля. Установлено, что в среднем такое падение происходит один раз в сутки, что соответствует 10 тыс. циклов за 30 лет и 33 тыс. циклов за 100 лет. Наибольшие напряжения в трубе от внутреннего давления действуют в кольцевом направлении. Эти же напряжения воспринимают продольные швы труб, сваренные в заводских условиях. Уровень кольцевых напряжений слабо зависит от других силовых факторов, он практически однозначно связан с перепадом внутреннего и наружного давлений, толщиной стенки и диаметром трубы. Дополнительные кольцевые напряжения от изгиба возникают при овальности трубы, а также от давления грунта при подземной укладке трубопровода. Они также связаны с внутренним давлением.
Продольные напряжения в трубе от внутреннего давления меньше кольцевых в 2-3 раза. Их опасность заключается в том, что они могут вызвать разрушение кольцевых швов трубопровода (а также ремонтных конструкций), сваренных в условиях монтажа. В этих швах существенно больше вероятность различных технологических дефектов, возникающих при сборке и сварке. Кроме давления, продольные напряжения могут быть вызваны целым рядом факторов, которые трудно оценить при проектировании. Это напряжения от температурного расширения трубы, а также от изгиба ее продольной оси. Изгиб может возникать как в процессе укладки сваренного участка трубы в траншею, так и при последующих подвижках грунта. При надземной прокладке трубопровода изгиб вызывают вес трубы и перекачиваемой нефти, а также вес обледенения и ветровые нагрузки. Суммарное значение продольных напряжений от всех факторов может превышать уровень кольцевых напряжений. Единственным надежным способом оценки продольных напряжений является инструментальный контроль напряженного состояния в процессе мониторинга или диагностического обследования трубы. Несколько снижает опасность тот факт, что изгиб трубы обычно является статической нагрузкой. Число циклов от перепадов температуры также сравнительно невелико, особенно при подземной укладке трубопровода. Колебания температуры возможны только при прекращении перекачки, поскольку поток нефтепродуктов является мощным термостабилизирующим фактором. Постоянные напряжения изменяют асимметрию цикла и влияют на ресурс [18-20]. В сварных соединениях к эксплуатационным добавляются остаточные сварочные напряжения, уровень которых часто приближается к пределу текучести металла. Особенности сварки кольцевых швов таковы, что на внутренней поверхности трубы возникают высокие растягивающие продольные напряжения, что увеличивает риск разрушения от корня кольцевого шва [21]. Несмотря на то, что кольцевые напряжения выше, чем продольные, для магистральных нефтепроводов они менее опасны, так как продольные швы труб выполнены автоматической сваркой под флюсом в заводских условиях. Более опасны кольцевые монтажные швы, как содержащие большее число дефектов – потенциальных очагов зарождения трещины.
Проблемы применения ремонтных конструкций не ограничиваются только конструктивными факторами. В условиях монтажа выделяют ряд факторов, изменяющих напряженно-деформированное состояние и влияющих на ресурс конструкции.
Во-первых, следует отметить, что монтаж муфты производится на работающий нефтепровод, то есть на трубу, находящуюся под внутренним давлением. Расчет допустимой величины рабочего давления при монтаже в процессе эксплуатации регламентирован нормативной документацией [10]. В [22-24] отмечено, что при сварочных работах на работающем нефтепроводе критическим параметром для определения рабочего давления является минимальная остаточная толщина стенки. В [4,25,26] показано, что при остаточной толщине стенки трубы свыше 5 мм вероятность прожога в процессе монтажа муфты минимальна, поскольку сварку стремятся выполнять с минимальной погонной энергией за несколько проходов. Наиболее важным фактором, определяющим предельное состояние конструкции, является пластическая неустойчивость металла конструкции [27]. Монтаж муфты без остановки перекачки положительно сказывается на значениях кольцевых остаточных сварочных напряжений (ОСН) [28], так как укладка шва на растянутый металл приводит к перераспределению деформаций при нагреве и снижению величины ОСН. При этом кольцевые напряжения не оказывают прямого влияния на рост трещины, так как плоскость их действия лежит в плоскости трещины. Ускорение роста трещины могут вызвать напряжения, ориентация которых способствует её раскрытию[29]. Применительно к муфте это остаточные напряжения в направлении оси трубы, вызванные поперечной усадкой кольцевого углового шва. Поскольку сварка кольцевого углового шва выполняется за несколько проходов, эти напряжения невелики [30].
Во-вторых, при диаметрах трубопровода до 1000 мм в технологии установки муфты предусмотрен подъем трубопровода из траншеи. При этом происходит рост продольных напряжений из-за изгиба трубопровода [31].
В-третьих, при монтаже нахлесточного соединения весьма затруднительно обеспечить надлежащее (качественное) формирование корня шва. Велика вероятность получения непроваров в корневом слое шва.
В работе [32] отмечена возможность взаимодействия муфт между собой. Экспериментально установлено, что такое взаимодействие возникает при расстоянии между муфтами менее половины диаметра трубопровода. Близкое расположение муфт приводит к росту продольных напряжений в ней.
При анализе напряженно-деформированного состояния углового шва нахлесточного соединения под действием внутреннего давления в оболочке необходимо учитывать краевые эффекты в месте соединения муфты с трубой и остаточные сварочных напряжений, которые могут изменить напряженное состояние в зоне сварного соединения.
На Рис. 1.4 показаны две стадии работы ремонтной конструкции под действием внутреннего давления. До образования сквозного дефекта плотный контакт муфты с трубой разгружает участок трубы под муфтой и снижает скорость роста дефекта (Рис. 1.4,а). После разгерметизации полость между трубой и муфтой заполняется транспортируемым продуктом. В результате радиальных перемещений возникает осесимметричный изгиб стенки муфты, который вызывает дополнительное растяжение в корневом слое углового шва (Рис. 1.4,б).
Критерий выбора рациональных параметров усиливающих конструкций
Правильный выбор модели поведения материала под нагрузкой является важным аспектом корректного расчета напряженного состояния. Модель идеально-упругого материала хорошо подходит при предварительном анализе конструкции и решении задач линейной механики разрушения. Идеально-упругопластическая модель без учета упрочнения и релаксации материала применяется при моделировании сварочных процессов.
При воздействии эксплуатационных нагрузок материал испытывает сложное знакопеременное нагружение. В этом случае наиболее адекватной является модель трансляционного упрочнения с эффектом Баушингера [97]. Согласно этой модели, в исходном недеформированном состоянии поверхность текучести и поверхности упрочнения представляют собой семейство концентрических гиперсфер (Рис. 2.9,а).
Радиус каждой поверхности упрочнения равен соответствующему уровню интенсивности напряжения на диаграмме упрочнения, радиус поверхности текучести равен пределу текучести. Для удобства реализации модели в компьютерной программе диаграмма упрочнения разбита на линейные участки. При кусочно-линейной аппроксимации диаграммы упрочнения материала о-и =/(рп л) на каждом отрезке диаграммы модуль упрочнения H постоянный. Каж дая пара соседних поверхностей упрочнения, соответствующих значениям сг на концах отрезков диаграммы упрочнения, ограничивает область (полосу упрочнения) с постоянным значением модуля упрочнения /г.
Схема модели материала с анизотропным упрочнением: а) исходное состояние материла; б) состояние материал после нагружения в направлении вектора S. G – упругая область, H1, H2, H3, - полосы с различными модулями упрочнения; ломаной линией представлена диаграмма упрочнения Упрочнение при нагружении сопровождается нарушением изотропии свойств материала (Рис. 2.9,б). После достижения вектором девиатора напряженного состояния S поверхности текучести, она смещается вслед за концом вектора S. Вслед за ней, по мере достижения соответствующих уровней упрочнения, смещаются, не пересекаясь, все другие поверхности упрочнения. Те из них, уровень упрочнения которых не достигнут, остаются неподвижными. Основная проблема при учете трансляционного упрочнения заключается в совмещении упрочнения и эффекта Баушингера в одной модели. Поведение материала под действием знакопеременной нагрузки описывается теорией микро 55 напряжений [98]. Наиболее удобная для компьютерной реализации модель на основе этой теории предложена в работах [99,100]. В методике моделирования используется разделение девиатора напряжений на активную часть и микронапряжения в соответствии с выражением (2.1): Sjj Ajj+Rij, (2-1) где Sy -девиатор напряжений; Ау - активная часть девиатора Sy-; Ry - девиатор микронапряжений.
Активная часть девиатора отражает движение по диаграмме упрочнения и развитие пластических деформаций. Микронапряжения отражают положение центра поверхности текучести относительно первоначального начала координат. В процессе одностороннего нагружения и роста пластической деформации происходит упрочнение материала в соответствии с диаграммой. В результате увеличивается предел текучести и одновременно смещается центр поверхности текучести. На Рис. 2.10,а представлен первый полуцикл нагрузки.
По мере упрочнения от увеличения пластической деформации упругая область G смещается в направлении вектора Sy, а за ней в том же направлении смещаются и границы соседних полос упрочнения до точки К. Центр упругой области перемещается в точку О]. Отсюда следует, что при движении в обратном направлении ширина полос упрочнения увеличивается в два раза. На втором полуцикле происходит упругая разгрузка, а затем возникает пластическая деформация противоположного знака. При этом происходит поочередное обратное смещение поверхностей текучести и полос упрочнения (Рис. 2.10,б). Точка К на диаграмме, от которой началась разгрузка, отмечается как точка реверса и запоминается в тензоре микронапряжений.
Тензор микронапряжений непрерывно изменяется по мере изменения пластической деформации. Для упрощения алгоритма можно принять его постоянным в пределах каждой полосы упрочнения и изменяющимся скачком при переходе в следующую полосу. Тогда механизм деформирования в пределах каждой полосы становится близким к процессу изотропного упрочнения.
Численное моделирование способов повышения ресурса разрезных тройников
Зависимость долговечности от толщины кольца носит практически линейный характер (Рис. 3.15,а). Кривая построена по результатам моделирования при постоянной ширине кольца (B = 200 мм).
При плотной посадке увеличение ширины кольца до 100 мм существенно повышает долговечность (Рис. 3.15,б). Дальнейшее увеличение ширины свыше 200 мм не приводит к столь существенному приросту ресурса. Кривая построена по результатам моделирования при постоянной толщине кольца (t = 15 мм).
Расчеты показали, что в отличие от разгрузочного кольца определяющим параметром бандажа является его толщина. Положения о необходимости установки разгрузочного кольца без зазора справедливы и для бандажа.
Из результатов расчетов следует, что наибольшую долговечность обеспечивает сочетание разгрузочного кольца, установленного вплотную к кольцевому шву муфты, с одновременным увеличением сечения шва (вар. 5, Рис. 3.16). Предложенные изменения приводят к существенному уменьшению изгиба шва. Рассчитанные параметры призваны обеспечить ресурс не ниже требуемого. Элементы конструктивного оформления рекомендуемого варианта представлены на Рис. 3.17. Окончательный вариант конструкции муфты имеет разгрузоч 85 ные кольца. Также применена обратная разделка кромок. Скос кромки выполнен только на 5 мм, чтобы снизить количество наплавляемого металла. В то же время заполнение разделки увеличивает величину расчетного сечения шва и, соответственно, путь роста трещины.
Разработанные меры были направлены на повышение долговечности муфты за счет уменьшения изгибающего момента в шве и усиления шва. Установка вместе с муфтой разгрузочных колец с натягом и их приварка к торцам муфты должны существенно повышать срок службы ремонтных конструкций (или отремонтированного участка) [103]. Параметрические исследования на компьютерной модели позволили выбрать конструкцию муфты и сочетание ее размеров, рассчитанную на циклическую долговечность свыше 10000 циклов.
Анализ способов повышения ресурса разрезных тройников 3.3.1. Анализ работы разрезных тройников под давлением Анализ причин низкого ресурса разрезного тройника проведен на модели, параметры которой приведены в Таблице 3. Согласно [87] наибольшая концентрация кольцевых напряжений в тройнике соответствует соотношению диаметров отвода и трубы d отв = 0,5 при от ношении диаметра трубы к толщине её стенки D ТР 50 . Таким образом, для трубы диаметром 1020 мм максимальная концентрация напряжений возникает у разрезного тройника с диаметром ответвления 530 мм.
Параметры исследуемого тройника Труба Ремонтный тройник Диаметр, мм Толщина стенки, мм Толщина стенки магистрали, мм Длина магистрали, мм Диаметр отвода, мм Толщина стенки отвода, мм 1067 20 23 960 530 18 Расчет показал, что в целом характер напряженно-деформированного состояния (НДС) разрезных тройников такой же, как у гладкой цилиндрической муфты, за исключением особенности вокруг патрубка. Для изучения изменения напряжений по периметру кольцевого сварного шва применена объемная модель разрезного тройника, смонтированного на трубе.
Анализ НДС модели тройника под действием внутреннего давления позволил установить наличие приблизительно трехкратной концентрации растягивающего напряжения &прод напротив патрубка (Рис. 3.18). Эта компонента напряжения ложится в качестве поперечной нагрузки на кольцевой шов, соединяющий муфту с трубой [104]. По мере удаления от патрубка продольные напряжения постепенно снижаются. На расстоянии периметра тройника (что соответствует углу 900) напряжения выравниваются и приближаются к распределению напряжений на стороне, диаметрально противоположной ответвлению (до уровня, характерного для гладкой муфты).
Изменение характера напряжений связано с сокращением диаметра патрубка, ориентированного вдоль оси магистрали (Рис. 3.19). Известно, что при растяжении пластины происходит её сокращение в направлении, перпендикулярном нагрузке (поперечная утяжка, эффект Пуассона).
Участки магистрали тройника рядом с патрубком находятся под действием высоких кольцевых напряжений ткол, в 3 раза превосходящих кольцевые напряжения в гладкой муфте. В результате поперечного сокращения этих участков возникает дополнительная нагрузка на кольцевой шов, которая увеличивает размах напряжений в цикле и снижает ресурс.
Разработка универсальной долговечной конструкции ремонтной муфты
Существенное повышение долговечности может быть достигнуто путем устранения очагов зарождения и роста трещин. Это возможно при таком конструктивном оформлении сварного соединения ремонтной конструкции с трубой, при котором либо концентрация растягивающих напряжений сведена к минимуму, либо изменен знак напряжений в возможном концентраторе (растяжение заменено сжатием).
В разделе 3.2.1 показано, что основной вклад в концентрацию напряжений вносит изгиб, возникающий в результате попадания жидкости под муфту. Одним из путей ограничения уровня напряжений в соединении муфты с трубой является приварка патрубка тройника непосредственно к трубе (Рис. 5.1) [107]. Приварка исключает попадание перекачиваемой жидкости под муфту после образования сквозного дефекта в трубе и предотвращает возникновение неблагоприятной схемы нагружения углового шва (см. Рис. 1.4). Такое решение возможно только для разрезных тройников, но не для гладких муфт. В технической литературе такая конструкция известна как патрубковый тройник. Эти соображения подтверждают расчеты, проведенные по методике, изложенной в Главе 2. На Рис. 5.1 показаны граничные условия, а на Рис. 5.2 – результаты расчетов. Наиболее опасной является точка А. Точки Б и В в корне кольцевого шва стано 116 вятся опасными только после разгерметизации патрубка. В этом случае для точки В реализуется схема нагружения исходного разрезного тройника. Проверка работоспособности патрубкового тройника проведена путем испытания натурных образцов тройников по методике, описанной в параграфе 2.4. Параметры испытанных образцов приведены в Таблице 9.
Патрубковый тройник обеспечивает лишь частичное решение проблемы. СНиП ограничивает применение патрубковых тройников, так как запрещает приварку патрубка вблизи продольного шва трубы. Поэтому применение такого тройника для ремонта дефектов в этой зоне требует дополнительного обоснования. Кроме того, предложенное решение неприменимо для гладких муфт. Тем не менее, разработанная конструкция и технология её монтажа вошли в нормативный документ ПАО «АК «Транснефть» для нефтепровода «Восточная Сибирь – Тихий океан» [11].
Повышение долговечности ремонтной муфты требует устранения концентрации напряжений в корне кольцевого шва сварного соединения муфты с трубой. Первым шагом на этом пути можно считать известную конструкцию торо-цилиндрической муфты с подкладными кольцами (Рис. 1.16,д). Схема ее нагру-жения приведена на Рис. 5.4,а. Шов 1, прикрепляющий подкладное кольцо к трубе, расположен не с наружной, а с внутренней стороны муфты. Благодаря этому действие внутреннего давления под муфтой не отрывает, а прижимает кольцо к трубе, создавая в корне шва сжимающие напряжения. муфта обеспечивает существенное снижение концентрации напряжений за счет замены нахлесточного соединения на тавровое. Достоинства торо-цилиндрической муфты позволяют выбрать ее в качестве прототипа для дальнейшего совершенствования конструкции муфты. Новая усовершенствованная конструкция торо-цилиндрической муфты представлена на Рис. 5.5,а. Она сохраняет достоинства прототипа, однако за счет замены тавровых замыкающих сварных соединений на стыковые в ней достигнуто максимальное снижение уровня растягивающих напряжений. Особая конструкция торовой части обеспечивает появление сжимающих напряжений ((тг) в корне кольцевого углового шва под действием внутреннего давления под муфтой (Рис. 5.5,б). Параметры торовой части подобраны так, что уровень напряжений во всех сечениях и швах муфты находится на уровне целой трубы, а все концентраторы оказываются в зоне сжимающих напряжений. Конструкция этой муфты полностью отвечает поставленной цели работы.
Радиус торовой части (R) обеспечивает плавный переход к цилиндрической части муфты. Его увеличение позволяет снизить напряжения от изгиба, вызванного разной жесткостью цилиндрической и торовой частей при действии внутреннего давления, за счет распределения этого изгиба на большую длину, чем у прототипа. Увеличение R позволяет снизить напряжения в этой зоне до уровня бездефектного участка трубы. Однако при этом растут диаметр и толщина стенки цилиндрической части муфты, а, следовательно, масса ремонтной конструкции. На основе проведенных расчетов было выбрано рациональное значение R, обеспечивающее уровень напряжений от изгиба, не превышающий уровень кольцевых напряжений в муфте (Рис. 5.5,б).
Концы торовой части со стороны, присоединяемой к трубе, имеют конические участки. Они предназначены для обеспечения установки муфты на трубы с большой овальностью. Путем сошлифовывания кромки конического участка можно добиться равномерного зазора по всему периметру стыка. Кроме того, имеется возможность регулирования величины зазора.