Badania w kierunku systemów kompensacji do pracy przy zmiennym przepływie

Badania w kierunku systemów kompensacji do pracy przy zmiennym przepływie
Wykonany model badawczy fot.: TECH-MAR
  • Autor: Artykuł firmy TECH-MAR Chorzewski Marcin
  • Dodano: 27-09-2022 12:46

W ramach realizacji projektu badawczego przez przedsiębiorstwo „TECH-MAR” Marcin Chorzewski polegającego na „Opracowaniu systemów kompensacji przeznaczonych do pracy w środowisku o zmiennej charakterystyce przepływowej, pozwalających zmieniać parametry względem odczytów” wykonano badania laboratoryjne rurociągów wykonanych z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem szklanym.

Prace badawcze realizowane były w ramach projektu pn. „Realizacja projektu badawczego przez przedsiębiorstwo "TECH- MAR" Marcin Chorzewski” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Działania 1.2 „Działalność badawczo - rozwojowa przedsiębiorstw” Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego na lata 2014-2020.

Głównym celem projektu było prowadzenie prac badawczo-rozwojowych prowadzących do opracowania systemów kompensacji przeznaczonych do pracy w środowisku o zmiennej charakterystyce przepływowej, pozwalających zmieniać parametry względem odczytów z czujników oraz uzyskanie produktu w postaci inteligentnych zamocowań rurociągów, regulujących swoje właściwości uwalniania stopni swobody względem parametrów rurociągu odczytywanych z czujników wibracji, przemieszczeń i sygnałów pracy z systemu DCS.

Przedmiotem będącym obiektem badań wykonywanych przez firmę „TECH-MAR” był prosty fragment rurociągu technologicznego o długości łącznej wynoszącej 5 metrów z zastosowaniem kompensacji lub armatury kołnierzowej w połowie długości badanego odcinka. Rura wykonana z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem szklanym zgodnie z normą DIN 16965/ DIN 16966. Za pomocą oprogramowania CAD przygotowano trójwymiarowy model szkielety maszyny służącej do badań wytrzymałościowych odcinka rurociągu technologicznego (rysunek 1). Na ramie modelu osadzono dokładnie odwzorowany model 3D połączenia kołnierzowego elementów rurociągów i przepustnicy. W skład elementów zaprojektowanych wliczają się również zamocowania, które stanowiły także punkty przyłożenia zadawanych obciążeń do poszczególnych odcinków badanej rury. Obciążenia podawane zostało przez siłowniki pneumatyczne na obejmy zamocowań. Ich orientację i położenie można było dowolnie ustalić opierając się na profilach górnej części ramy. Za pomocą różnych konfiguracji siłowników pneumatycznych otrzymano cztery różne przypadki obciążenia (rysunek 2), dla każdego z przypadków przykładano obciążenie od wartości 1000 [N] ze skokiem co 500 [N] aż do osiągnięcia górnej granicy wytrzymałości rurociągu. Ustalonymi przypadkami obciążenia układu było: TYP C-przyłożenie sił o zgodnym kierunku, lecz przeciwnych zwrotach na przemian w czterech kolejnych punktach podparcia; TYP B-przyłożenie sił o zgodnym kierunku, lecz przeciwnych zwrotach symetrycznie względem płaszczyzny środka układu; TYP A, w którym występowały dwie pary sił o przeciwnych zwrotach po każdej stronie układu; TYP D sił przykładanych asymetrycznie – z siłą o przeciwnym zwrocie do trzech pozostałych po części zewnętrznej układu.

Po przeprowadzonych symulacjach cyfrowych zdecydowano się na powtórzenie badań w analogicznych przypadkach obciążania i wartości obciążenia przypadającego na każdy siłownik w warunkach rzeczywistych. Wykonane zostało w rzeczywistości stanowisko badawcze według wcześniej przygotowanego projektu w środowisku CAD i powtórzone wszystkie badania wykonane cyfrowo. Na podstawie wyników uzyskanych w warunkach rzeczywistych oraz wirtualnych stwierdzono, że współczynnik zgodności obliczeń wykonanych Metodą Elementów Skończonych względem rzeczywistego układu poddanego analogicznym testom obciążeniowym wynosi 97,9%.

W kolejnym etapie powtórzono badania wykonane za pomocą oprogramowania CAD oraz badania wykonane w rzeczywistości, lecz dla układu, w którym elementem łączącym obie części badanego układu nie była sztywna przepustnica, ale podatny kompensator gumowy wykonany według katalogu METAL-GUM pozwalający na niewielkie przemieszczenia obu części układu względem siebie. W układzie z wykorzystaniem kompensatora odnotowano średnio 2,5 krotnie mniejsze największe naprężenia policzone według hipotezy Von Misesa.

Dzięki współpracy z Wydziałem Inżynierii Mechanicznej Wojskowej Akademii Technicznej (WAT) możliwe było przeprowadzenie dodatkowej analizy wytrzymałościowej rur wykonanych z TWS na zginanie poprzez przeprowadzenie prób trójpunktowego zginania rur (rysunek 3). Badania wykonane przy współpracy z WAT polegały na zginaniu trójpunktowym o rozstawie podpór 600 [mm] próbek w postaci rur wykonanych z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym o długości około 800 [mm]; średnicy około 165 [mm] i grubościach ścianek od 6,30 do 7,64 [mm], przeprowadzenia badania zmęczeniowego trójpunktowego zginania przy obciążeniu sinusoidalnie zmiennym. Na podstawie uzyskanych punktów pomiarowych przygotowano wykresy porównawcze obciążenia wycinków rur w funkcji strzałki ugięcia.

Wstępne zalecenia dotyczyły maksymalnego obciążenia na poziomie co najmniej 10 [kN] i taki poziom siły został zrealizowany dla pierwszej badanej próbki zginania trójpunktowego. Oględziny próbki po zrealizowanym badaniu wykazały brak jakichkolwiek uszkodzeń w obszarze oddziaływania obejmy przekazującej obciążenia jak i w części podparcia rury. Dlatego po uzgodnieniu z firmą „TECH-MAR” zdecydowano się obciążać kolejne próbki do chwili zaobserwowania wyraźnych zmian na wykresach obciążenia jak również zaobserwowanych uszkodzeń rur w części podporowej. Dla kolejnych dwóch próbek tego badania uzyskano maksymalne obciążenie na poziomie 32 [kN]. Dla badania zmęczeniowego przy trójpunktowym zginaniu, zgodnie z ustaleniami z „TECH-MAR” próbka została obciążana sinusoidalnie zmienną siłą o wartości maksymalnej 8 [kN] i minimalnej 0,8 [kN] prze częstotliwości zmian obciążenia 1 [Hz]. Próba zmęczeniowa była przeprowadzona w sposób ciągły do uzyskania przez próbkę 100 000 cykli obciążenia, które było warunkiem zakończenia działania programu obciążeń. Próbka nie uległa uszkodzeniu z tego względu wyłączenie maszyny nastąpiło w skutek realizacji pełnego pakietu obciążenia. Badania zmęczeniowe potwierdziły obserwacje z wcześniejszych badań o dobrej jakości badanych fragmentów rur wykonanych z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem szklanym i również w obszarze przyłożenia siły nie zaobserwowano uszkodzeń zmęczeniowych. Badana próbka w badaniu zmęczeniowym osiągnęła trwałość 100 000 cykli przy maksymalnym obciążeniu syklu zmęczeniowego na poziomie 8 [kN]. Po oględzinach na koniec badań zmęczeniowych zaobserwowano niewielkie uszkodzenia na powierzchni rury również w okolicy podpory w postaci stalowego wałka. W oparciu o oględziny obejmy zastosowanej do wymuszenia obciążenia stwierdzono brak śladów zużycia wynikającego ze zrealizowanego obciążenia statycznego i zmęczeniowego.

Po uzyskaniu analizy zmęczeniowej próbek przystąpiono do sprawdzenia wartości krytycznych momentu względem występujących naprężać wyciętego fragmentu rurociągu, gdzie prostka rozpostarta jest między dwoma zamocowaniami rozstawionymi w standardowej dla tego typu rur odległości 3 metrów. Jedno z zamocowań zostało przyjęte jako stałe, aby możliwe było określenie lokalizacji węzłów połączenia zamocowania i rurociągu. Badanie polega na znalezieniu zbliżonej wartości momentu siły jaki będzie występował na rurociągu przy zbliżeniu się wartości występujących naprężeń wynoszącej w przybliżeniu maksymalną wartość naprężeń możliwą do przeniesienie przez materiał (58,1 [Mpa]). Wartości obciążenia niszczącego w badaniu wykonanym przez „TECH-MAR” wynoszą 5187 [Nm] przy strzałce ugięcia wynoszącej około 24 [mm] (rysunek 4). Niezależne badania wskazują na zniszczenie próbki przy obciążeniu 4950 [Nm] i strzałce ugięcia na poziomie 21 [mm]. Zgodność co do wartości obciążenia niszczącego dla obu badań wynosi ponad 95%. Wysoka zgodność wyników wskazała na prawidłowe wykonanie badań i pozwoliła na dalszą analizę mającą na celu wyznaczenie wartości siły przyciągania, jaką musi generować elektromagnes, by całkowicie pochłonąć siły reakcji działające w zamocowaniu.

Podstawą do opracowania projektu inteligentnego zamocowania rurociągów jest zdolność elektromagnesów do wytwarzania dość dużej siły przyciągającej za pomocą wytworzonego przez przepływający prąd elektryczny - pola elektromagnetycznego wewnątrz elektromagnesu, która będzie zdolna do przytwierdzenie klasycznego zamocowania rurociągu w miejscu w momencie wystąpienia obciążenia niszczącego rurociąg, skutkiem czego rurociąg pozostanie w stanie nieuszkodzonym przez dłuższy czas. Na podstawie przeprowadzonych przez „TECH-MAR” badań oraz wyników z badań niezależnych wynika, że wartość siły przyciągającej jaką musi wykazać elektromagnes kształtuje się na poziomie około 30 000 [N].

Prace B+R zostały przerwane na tym etapie, jednak otrzymane wyniki badań będą mogły zostać wykorzystane w przyszłych projektach badawczych dotyczących systemów kompensacji lub inteligentnych zamocowań rurociągów.

Autorzy: 

Dr inż. Chorzewski Marcin

Mgr. Inż. Kornel Bucholski

 

 

 

 

 

×

KOMENTARZE (2)

Do artykułu: Badania w kierunku systemów kompensacji do pracy przy zmiennym przepływie

  • Zbyszek 2022-10-10 09:50:29
    Ciekawy artykuł....merytoryczne zgłębienie tematu
  • hgh 2022-10-07 20:30:04
    odkrywanie ameryki. A moze ktos sie douczył ( częsciowo) i ma chody zeby pokazac swoja wiedze ???

PISZESZ DO NAS Z ADRESU IP: 44.192.38.248
Dodając komentarz, oświadczasz, że akceptujesz regulamin forum

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!