В статье рассмотрены недостатки часто используемых тройниковых соединений с усиливающими накладками и обращается внимание на целесообразность применения толстостенных патрубков – велдолетов.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ПАТРУБКОВ (ВЕЛДОЛЕТОВ) ДЛЯ ПРЯМЫХ ВРЕЗОК В ТРУБОПРОВОД

трубы. трубопроводы: строительство

всероссийское отраслевое рекламно-информационное издание138

Известно, что на контуре неукреплен-ного отверстия круглой формы при пло-ском напряженном состоянии местное увеличение напряжений составляет от 2 до 3 [1]. Для его снижения до 1 необхо-димо дополнительное увеличение стенки на величину от 1 до 2 толщин магистра-ли. Область повышенного напряжения, требующая усиления имеет ширину око-ло диаметра отверстия.

Наиболее простым и, до недавнего вре-мени, самым распространенным способом укрепления небольших технологических отверстий в трубопроводах являлось ис-пользование приварных накладок. В слу-чае отверстий, диаметры которых сопоста-вимы с диаметром магистрали, более или менее корректная оценка концентрации напряжений невозможна без учета пара-метров всего тройникового соединения.

Трудно переоценить роль тройнико-вых соединений трубопроводов, по-зволяющих осуществлять распре-

деление транспортного потока (прямые врезки), проводить измерение темпера-туры, состава и расхода продукта (уста-новка приборов контроля), а в случае ремонта – служащих для укрытия неис-пользуемых приварных деталей.

Особенностью данных конструкций яв-ляется необходимость компенсировать потерю несущей способности трубопро-вода, обусловленную концентрацией на-пряжений от специально изготовленного технологического отверстия для прямых врезок и приборов контроля либо сви-щами, сопровождающими разгерметиза-цию ремонтного участка.

4/2011

А. С. ЗАндберг, А. П. ЛАдыжАнСкий, А. А. САжАеВ – ООО «НИПИСтройТЭК»

Рис. 1. Примеры коробления накладки при выполнении наружного (а) и внутреннего (б) швов (по данным расчета методом конечных элементов)

а

б

Рис. 2. Образование характерных сварочных дефектов при выполнении внутреннего шва приварки накладки

Рис. 3. Образование трещины в зоне максимальных рабочих напряжений на участке перехода от внешнего сварного шва накладки к магистральной трубе

Поэтому рассмотрение возможности ее уменьшения относится к стадии проекти-рования деталей заводского изготовления – тройников.

Оценка несущей способности подоб-ных конструкций проводится на основе принципа замещения сечений (ASME B 31.8, ГОСТ 24755) либо введением коэф-фициента несущей способности (СНиП 2.05.06-85; СН 527), зависящего от со-отношения диаметров основного и от-водящего трубопроводов (ответвления) и определенного на основе расчетно-экспериментального опыта.

Применительно к отечественным ма-гистральным трубопроводам сложилась практика использования трех основных видов тройниковых соединений:• Для соотношений диаметров ответвле-

ния и магистрали до 0,2 с помощью патрубков (труба в трубу);

• Для соотношений диаметров ответ-вления и магистрали от 0,2 до 0,5 с помощью патрубков и усиливающих накладок;

• Для соотношений диаметров ответвле-ния и магистрали от 0,5 до 1,0 с помо-щью тройников. Каждая из конструкций наряду с преи-

муществами имеет и недостатки.

www.S-NG.ru

трубы. трубопроводы: строительство

139

4/2011

Первая конструкция обладает ограни-ченным диапазоном применения по соот-ношению диаметров ответвления и маги-страли из-за недостаточной прочности.

Вторая, из-за коробления накладки при сварке, препятствующего ее полно-му прилеганию (Рис. 1) характеризуется затруднениями в выполнении внутренне-го шва приварки накладки к патрубку и основной трубе с появлением характер-ных дефектов (Рис. 2). По тем же при-чинам после нагружения внутренним давлением силовые потоки концентриру-ются на границе внешнего сварного шва накладки и основной трубы [2], из-за чего возможна инициация и прорастание трещины в основном металле (Рис. 3).

В штампосварных тройниках также не удается полностью избавиться от концен-трации напряжений [2]. Так при отноше-нии диаметров отводящего и основного цилиндров тройника менее 0,7, макси-мальная концентрация достигается в выс-шей точке пересечения основного и от-водящего цилиндров тройника (Рис. 4). Коэффициент концентрации растет ли-нейно (Рис. 6). Толщина стенки основ-ной трубы мало влияет на его величину.

а

б

Рис. 4. Коэффициенты концентрации напряжений в тройнике 720x1020 мм при толщине стенки трубы 30 мм и соотношении толщин тройника и трубы, равном 2,0а – эквивалентное напряжениеб – первое главное напряжение

Рис. 5. Коэффициенты концентрации напряжений в тройнике 1020x1020 мм при толщине стенки трубы 30 мм и соотношении толщин тройника и трубы, равном 2,0а – эквивалентное напряжениеб – первое главное напряжение

а

б

всероссийское отраслевое рекламно-информационное издание140

4/2011

При больших, чем 0,7 значениях отношения диаметров, макси-мальная концентрация достигается в низшей точке пересечения основного и отводящего цилиндров тройника (Рис. 5). Коэф-фициент концентрации растет быстрее и нелинейно (Рис. 6). С увеличением толщины стенки основной трубы уровень концен-трации напряжений снижается. Показательно, что значения ко-эффициента концентрации упругих напряжений в штампосвар-ном тройнике существенно выше 1 даже в случае, когда толщина тройника в 1,5÷2,0 раза превосходит толщину стенки основной трубы.

Таким образом, широко применяемые в отечественной прак-тике конструкции тройниковых соединений не всегда являются оптимальными в прочностном и технологическом смысле. При-менительно к отверстиям малого и среднего диаметров в работе [2] показана возможность обойтись без накладок на магистраль-ную трубу, если толщину присоединяемого патрубка ответвле-ния выбирать с помощью следующей формулы:

, (1)

где – толщина стенки магистральной трубы, мм, – толщина стенки патрубка, мм, – диаметр патрубка, мм

В реальности данная толщина необходима присоединяемому патрубку на высоте не более 2,5∙ . По всей вероятности, это или подобное соображение натолкнуло основателя компании «Boney Forge» в тридцатые годы двадцатого века запатентовать присоединительные детали под общим названием интегрально усиленные фитинги ответвления и торговыми именами Weldolet (для приварки ответвления встык согласно рис. 7), Sockolet (для приварки ответвления нахлесточным швом согласно рис. 8) и Thredolet (с резьбовым разъемом). Фитинг имеет массивную по-садочную часть, при удалении от которой за счет уменьшения

Рис. 9. Велдолет диаметром 920 мм, установленный на трубу диаметром 1020 мм

наружного диаметра создается переход к параметрам при-соединяемого трубопровода. Благодаря своей особой форме и размерам установка данной детали полностью восстанавлива-ет несущую способность в ослабленной окрестности отверстия основной трубы при соотношении диаметров ответвления и ма-гистрали вплоть до 1,0 (Рис. 9), сохраняя удобства монтажа и сварки, характерные для приварных патрубков.

К настоящему времени действие патента закончилось, и у мно-гих фирм появилась возможность производить подобные изде-лия. Основным нормативным документов по фитингам данного вида является: MSS SP 97 «Стандартная практика промышленно-го общества США (MSS) для отводящих интегрально усиленных кованых фитингов присоединяемых с помощью резьбы, прива-риваемых встык и внахлест». По данным старейшего произво-дителя «Bonney Forge» cтоимость велдолетов на 50%–90% ниже стоимости тройников аналогичного назначения [3].

Важно заметить, что стандарт подразумевает оригинальную конструкцию фитинга, не регламентирует наружный диаметр или его форму. Поэтому изделия разных производителей могут иметь различные очертания.

Основой производства отводящих фитингов является кузнечно-штамповая обработка. Также как контролируемая прокатка листа для труб, контролируемая пластическая дефор-мация во время ковки создает условия формирования высоких служебных свойств этих деталей.

Не менее важна точная механическая обработка изделия, обеспечивающая соблюдение параметров сварочных разделок кромок и возможность получения установочных зазоров.

Данные виды обработки доступны отечественным заводам-производителям деталей трубопроводов. Интегрально усиленные фитинги могут изготавливаться из отечественных трубных сталей типа 09Г2С (категория прочности до К52) и 10Г2ФБЮ (категория прочности до К60). Временно сдерживающим фактором является отсутствие нормативной базы применения этих изделий.

литерАтурА:1. Седов Л. И. – Механика сплошной среды. Том II. – Издатель-

ство «Наука», М., 573 с.2. Зандберг А. С. – Основы проектирования сварных герметизи-

рующих конструкций магистральных трубопроводов. Сталь-ные муфты и тройники // Сварочное производство, 2010, № 11.

3. BRANCH FITTINGS AND SPECIALTY FORGED PRODUCTS // http://www.bonneyforge.com

Рис. 6. Упругие коэффициенты концентрации эквивалентного и первого главного напряжений в штампосварных тройниках в зависимости от отношения диаметров ответвления и основной трубы диаметром 1020 мм при толщине стенки основной трубы 12 мм, 20 мм и 30 мм и отношении толщин тройника и основной трубы, равном 2

Рис. 7. Велдолет для приварки ответвлений малого диаметра встык

Рис. 8. Велдолет для приварки ответвлений малого диаметра нахлесточным швом

трубы. трубопроводы: строительство