Konštrukčné riešenie objímok brzdných blokov na tranzitnom plynovode

Abstrakt
Transit gas pipe line was built up in the 70-ties of last century. In present is the lifetime of many parts in the end. In year 1998 were made complex diagnostic revisions of all over bridges. After this were made the first reconstructions on the pipe bridges of transit pipelines. In this paper are analysed some details on the pipe sockets. They are analysed by FEM method. Critical places on pipes and in braking blocks were verified, if the yield stress is not exceeded.

V súčasnosti je životnosť mnohých častí na konci. V roku 1998 boli urobené komplexné diagnostické prehliadky všetkých premostení. Následne sa začali vykonávať prvé opravy na rekonštrukčné práce na premosteniach a líniách tranzitného plynovodu a prebiehajú aj v súčasnosti.
V predloženom článku sú analyzované objímka kotevného bloku so šmykovými zarážkami a trecia objímka brzdného bloku pomocou metódy konečných prvkov. Boli overované kritické miesta na potrubí a objímkach, či nie je prekročená únosnosť materiálu. Úlohy boli riešené pomocou programu Ansys. Použité boli elementy SOLID 187, TARGE170 a CONTA174.

Objímka so šmykovými zarážkami
Modelovaná bola šmyková zarážka pri brzdnom bloku (Obr. 1), ktorá prenáša osovú silu 4 000 kN z potrubia do železobetónového bloku rozmeru 8 x 8 x 3,5m. Samotnú zarážku tvorí 8 plechov hrúbky 20 mm v tvare slzy, privarených na potrubie obvodovým kútovým zvarom. Jednu stranu majú upravenú tak, že sa opierajú do objímky, ktorú vytvára 8 krátkych „stĺpikov“. Potrubie profilu 1.220/18,2mm je z materiálu X60 s charakteristickou medzou klzu 415 MPa.

Obr. 1 - Objímka so šmykovými zarážkami

Model konštrukcie
Bola namodelovaná jedna štvrtina potrubia s využitím symetrie (Obr. 2). Výsledné deformácie (Obr. 3) a napätia (Obr. 4) sú uvažované pri prevádzkovom pretlaku plynu 6,5 MPa. Konštrukcia bola podopretá vo všetkých smeroch v miestach opracovania platničiek a zaťažená silou na prednú hranu potrubia. Sila na plochu mala hodnotu 60.000 kN/m² čo prestavuje po prepočítaní silu 4.000 kN.

Obr. 2 - Model konštrukcie

Obr. 3 - Hodnoty deformácie

Obr. 4 - Napätie na potrubí so zarážkami

Vyhodnotenie analýzy
Maximálne napätie na potrubí dosiahlo hodnotu okolo 380 MPa, čo je nižšie ako medza klzu materiálu X60 415MPa. Lokálne napätia na plechoch šmykovej zarážky sú odstránené konštrukčnými detailmi. Hrany sú zabrúsené a tým sa znižuje hodnota lokálnych napätí.
Napätie v potrubí za šmykovými zarážkami pokleslo na hodnotu vyvodenú vnútorným pretlakom, takže osová sila z potrubia bola zachytená.

Trecia objímka
V tomto prípade bola modelovaná trecia objímka pri brzdnom bloku premostenia Údoč (obr. 5, 6). Objímka, ktorá prenáša osovú silu 2.000 kN z potrubia do samotného bloku, je zložená zo štyroch segmentov, ktoré obopínajú potrubie. Prenos síl je zabezpečený cez trenie potrubia a objímky. Objímka zviera potrubie silou, ktorú vyvodia kontrolovane utiahnuté skrutky.

Model konštrukcie
Namodelovaný bol jeden segment trecej objímky (obr. 7). Stiahnutie skrutkami bolo vytvorené deformáciou veľkosti 0,75 mm. Bol uvažovaný stav, keď objímka bola osadzovaná na potrubie, teda v potrubí bol znížený prevádzkový pretlak na 3,5 MPa. K výsledným napätiam na potrubí treba pripočítať napätie od vnútorného pretlaku 3,0 MPa podľa vzťahu (1) od rozdielu hodnôt zníženého a prevádzkového pretlaku:

Obr. 5 - Poloha brzdného bloku voči premosteniu Údoč

Obr. 6 - Trecia objímka na brzdnom bloku premostenia Údoč

Styčná plocha medzi potrubím a objímkou bola namodelovaná z elementu TARGE170 a CONTA174, takže bol umožnený preklz potrubia od osovej sily. Súčiniteľ trenia bol uvažovaný s hodnotou 0,3. Výsledný tvar deformácie je na obrázku 8 a 9. Napätia na potrubí sú na obrázku 10.

Obr. 7 - Model konštrukcie trecej objímky

Obr. 8 - Hodnoty deformácií na potrubí s objímkou

Obr. 9 - Hodnoty a tvar deformácií na potrubí

Vyhodnotenie analýzy
Výsledné napätie na potrubí od prevádzkového pretlaku je súčtom napätí od montážneho zníženého pretlaku a napätia od rozdielu montážneho a prevádzkového pretlaku:

95325 kPa + 339612 kPa = 432237 kPa

Táto hodnota je nad medzou klzu, lebo v modeli bolo uvažované s ostrou hranou na objímke. Pri realizovanej konštrukcii je táto hrana zabrúsená pod určitým polomerom a tak je predpoklad že takúto hodnotu lokálne napätia nedosiahnu.

Obr. 10 - Napätia na objímke

Obr. 11 - Napätie na potrubí

Napätia v potrubí za trecou objímkou mali hodnotu rovnú napätiam od vnútorného pretlaku. Reakcia v mieste opretia objímky do bloku bola rovná 2.000 kN, teda je možné povedať že osová sila bola zachytená a prenesená do brzdného bloku.

Záver
Príspevok prezentuje možnosti posudzovania konštrukcií pomocou metódy konečných prvkov v programe ANSYS. Analýzy je možné robiť nielen na symetrické ale aj nesymetrické zaťaženia, alebo nerovnomerné zaťaženia teplotou.

Oznámenie
V tomto príspevku sú publikované niektoré výsledky riešenia výskumnej úlohy 1/13317/06 podporovanej Vedeckou grantovou agentúrou MŠ SR a SAV (VEGA).

Zoznam použitej literatúry
[1] STN 38 6410, Dátum vydania: 03.97. Plynovody a prípojky s vysokým tlakom

[2] ZoD 04-012-05; Zhotovenie náhradnej konštrukcie pre opravy koróznych vád v telese potrubia chráničky kotevného bloku tranzitného plynovodu – A strana premostenia rieky Údoč (ľavý breh) na I. línii tranzitného plynovodu DN 1200 (k.ú. obce Čičarovce, okres Michalovce). Zodpovedný riešitel: doc. Ing. J. Brodniansky, PhD, Riešitelia: Dr. Ing. Z. Agócs, PhD., prof. Ing P. Turček, PhD. doc. Ing. R. Ravinger, PhD., Ing. P. Mališ, Ing. M. Slivanský, Ing. M. Magura, Ing. M. Erdei. Objednávateľ SPP, a.s.

[3] ZoD 04-134-06; Návrh náhradnej konštrukcie (nového brzdného bloku) pri oprave koróznych vád v brzdnom bloku pri premostení rieky Sikenica – variantné riešenie. Zodpovedný riešiteľ: doc. Ing. J. Brodniansky, PhD, riešitelia: Dr. Ing. Z. Agócs, PhD.

Autoři

• Doc. Ing. Brodnianský Ján CSc.
• Ing. Magura Martin