Приложение В (обязательное). Расчет статической нагрузки

Приложение В
(обязательное)

Расчет
статической нагрузки

В.1 Проектные требования для статической нагрузки

Проектирование соединения для статической нагрузки требует, чтобы оно было рассчитано на предварительную и расчетную нагрузки, во время максимальных поперечных напряжений в допустимых пределах, установленных в В.4. Местные максимальные напряжения не должны рассматриваться для статической нагрузки.

В.2 Типы напряжений и их категории

В данном пункте указаны типы и категории напряжения (), которые предусмотрены для соединения драйзера. Полное понимание данных напряжений необходимо для правильного проектирования соединения райзера. Следует рассмотреть следующие типы напряжения.

а) Мембранное напряжение в секции является средним значением напряжения, вызванного усилием, продольным к секции. Оно вычисляется с использованием классического уравнения для нормального напряжения ( = F/A). Если мембранное напряжение является средним значением по полному поперечному сечению, то оно будет являться общим мембранным напряжением, примером которого служит среднее значение осевого напряжения в трубопроводе под нагрузкой при растяжении. Если мембранное напряжение является средним только по локализованной части поперечного сечения, то оно будет считаться локальным мембранным напряжением, примером которого служит осевое напряжение, среднее по зоне, прилегающей к отверстию обсадной трубы кулачковой муфты. Необходимо определить зону, используемую для усреднения локального напряжения. Применение очень маленьких зон приводит, в результате, к максимальному напряжению, а не к локальному мембранному напряжению. С другой стороны, усреднение по слишком большой зоне приводит, в результате, к общему мембранному напряжению, а не к локальному мембранному напряжению.

б) Напряжением при изгибе является напряжение, вызванное изгибающим моментом. Оно меняется линейно с расстоянием от центра секции и вычисляется с использованием классического уравнения механики для напряжения при изгибе ( = М с/I).

в) Чистым касательным напряжением в секции является среднее напряжение, вызванное усилием, поперечным к секции. Оно усредняется по общей области секции и вычисляется с использованием классического уравнения для касательного напряжения ( = F/A). Примером чистого касательного напряжения является среднее касательное напряжение в резьбовом соединении.

г) Напряжением смятия является нормальное напряжение на контактных поверхностях сопряженных поверхностей. Оно усредняется по общей контактной зоне и вычисляется с использованием классического уравнения для нормального напряжения ( = F/A). Примером напряжения смятия является контактное напряжение между зажимами и заплечиком кулачковой муфты, находящейся под нагрузкой.

д) Все напряжения могут классифицироваться как основные, максимальные и дополнительные.

1) Основным напряжением является напряжение, вызванное внешними нагрузками или предварительной нагрузкой и необходимое для соответствия правилам статического равновесия.

Пример - Мембранное напряжение в штанге, подвергнутой нагрузке осевой силы, равно напряжению при изгибе в простой балке.

2) Максимальным напряжением является высокое местное напряжение, которое существует при отсутствии непрерывности на пути нагружения.

Пример - Высокое местное напряжение в канавке резьбы в болте.

3) Дополнительным напряжением является любое напряжение в структуре, которое не является основным или максимальным напряжением.

В.3 Напряжение соединения райзера

Имеется шесть типов напряжений, которые должны быть оценены для каждого соединения райзера:

а) - общее основное мембранное напряжение;

б) - местное мембранное напряжение;

в) - основное напряжение при изгибе;

г) - дополнительное напряжение;

д) - чистое касательное напряжение;

е) - напряжение смятия.

Некоторые из этих напряжений, как, например, общее основное мембранное напряжение, могут быть точно определены расчетным методом, но большинство не могут быть вычислены из-за комплексной геометрии и нагрузки соединения райзера. Поэтому необходимо, чтобы напряжения в каждом соединении вычислялись анализом - методом конечных элементов согласно 4.3.

В случаях нагрузки, при которой соединение должно подвергаться анализу в зависимости от того, подвергнуто ли соединение предварительной нагрузке или нет, и считаются ли напряжения при предварительной нагрузке основными или дополнительными.

Если соединение не подвергается предварительной нагрузке, то следует анализировать только один случай нагрузки: расчетное осевое растяжение (расчетная нагрузка соединения).

Если соединение подвергается предварительной нагрузке, то соединение должно анализироваться для трех случаев нагрузки:

- расчетная предварительная нагрузка;

- расчетная предварительная нагрузка плюс расчетное осевое растяжение;

- только расчетное осевое растяжение.

Классификация напряжений, вызванных предварительной нагрузкой, такой как основная или дополнительная, зависит от функции соединения и не зависит от перенапряжения соединения. Если напряжения при предварительной нагрузке классифицируются как дополнительные, то допускается, что они могут быть в 2 раза больше предела текучести. Это может привести в результате к большим остаточным деформациям, но не к разрушению конструкции.

Некоторые конструкции соединений могут допускать большие остаточные деформации, не подвергая риску их способность к безопасному функционированию, тогда как другие конструкции соединений не будут функционировать после больших остаточных деформаций. Герметичность является примером функционального требования к конструкции, на которую часто воздействует большая остаточная деформация.

Если напряжения при предварительной нагрузке считаются дополнительными, то проектировщику следует указать, что остаточные деформации, вызванные предварительной нагрузкой, не будут причиной потери любой требуемой функциональной возможности соединения.

Как правило, соединения райзера представляют линейное и билинейное соотношение между нагрузкой и напряжением. Для таких соединений напряжения при нагрузках, кроме нагрузки при анализе, могут вычисляться с использованием правил линейной интерполяции и экстраполяции. Для соединений с нелинейным соотношением между нагрузкой и напряжением линейная интерполяция и экстраполяция не могут использоваться. Данные соединения должны анализироваться для нескольких значений нагрузки и следует разработать графики нагрузки относительно напряжения. Расчетная нагрузка соединения должна определяться по данным кривым.

В.4 Допустимое напряжение

В.4.1 Общие положения

Допустимые напряжения представлены для отдельной категории напряжений и для сочетаний категорий напряжений и являются функциями предела текучести материала (). Ниже приведены допустимые напряжения, которые должны быть в соединениях райзера для всех соединительных элементов, за исключением болтов:

0,667 ;

+ ;

+ + 2;

0,4 ;

.

Для болтов на основном пути нагружения изготовителю следует установить допустимые уровни напряжения для мембранных напряжений и напряжений при изгибе в болтах.

Напряжение болта, чистые касательные напряжения и напряжения смятия сравниваются с их соответствующими допустимыми пределами. Обработка данных конечных элементов не требуется.

Другие напряжения должны быть линейными, разделяясь на мембранные компоненты и компоненты изгиба, классифицироваться и преобразовываться в эквивалентные напряжения Мизеса, прежде чем они будут сравниваться с допустимыми напряжениями. Данная процедура подробно представлена в В.4.2.

В.4.2 Методы

Рассматриваются шесть компонентов напряжения по любой секции: три нормальных компонента и три компонента касательного напряжения при сдвиге.

Линеаризовать каждый из существенных компонентов напряжения и разделить их на компоненты мембранного и напряжения при изгибе.

Это представлено на рисунке В.1, где изображено осевое напряжение поперечной стенки соединения райзера в секции, где есть изменения толщины стенки. Нагрузка на соединение является осевым растяжением. Сплошная линия показывает распределение напряжения, зарегистрированное моделью анализа методом конечных элементов, тогда как пунктирные линии показывают линейное распределение напряжения. Компонент мембранного напряжения является средним значением линейного распределения напряжения, и компонент напряжения при изгибе является разницей между наибольшим и средним значением линейного распределения напряжения.

Затем классифицировать компоненты мембранного напряжения и напряжения при изгибе в одну их нижеприведенных категорий напряжения: общее основное мембранное напряжение, местное мембранное напряжение, основное напряжение при изгибе или дополнительное напряжение.

В качестве примера на рисунке В.1 мембранное напряжение является осевым напряжением, вызванным осевым усилием. Так как данное напряжение необходимо для уравновешивания осевого усилия, оно является общим основным мембранным напряжением. Напряжение при изгибе вызвано местным изгибающим моментом, обусловленным нарушением непрерывности в толщине стенки. Данное напряжение требуется только для обеспечения непрерывности деформации при нарушении непрерывности; следовательно, оно будет дополнительным напряжением.

Повторить данную процедуру для всех шести внутренних силовых факторов, которые являются определяющими; затем вычислить эквивалентное напряжение по Мизесу, используя нижеприведенное уравнение:

,

(В.1)

где - действующее напряжение по Мизесу;

, , - три компонента нормального напряжения;

T_xy (T_yz, T_zx) - компонент касательного напряжения.

Необходимо учесть, что все напряжения не включаются при расчете каждого действующего напряжения Мизеса. Например, при расчете общего основного мембранного напряжения проверяются только общие основные мембранные напряжения, включенные в уравнение (В.1); дополнительные напряжения, напряжения при изгибе и местные мембранные напряжения не включаются.

Теория прочности максимального касательного напряжения может использоваться вместо теории прочности Мизеса. Использование теории прочности максимального касательного напряжения требует сравнения двойного максимального касательного напряжения, определенного в качестве интенсивности напряжения с допустимыми напряжениями вместо действующего напряжения Мизеса. Данный подход одинаков при сравнении с подходом Мизеса, но проще для применения.

а) для осесимметричного поперечного сечения	б) распределение напряжения поперечно А-А

1 - общее распределение напряжения; 2 - эквивалентное линейное распределение; а - местное максимальное напряжение; b - местное напряжение при изгибе; с - напряжение в рабочем сечении; d - растягивающая нагрузка; е - местный изгибающий момент

Рисунок В.1 - Распределения напряжения через секцию А-А