Bartłomiej Łukosz, Specjalista ds. Technik Uszczelnień w SPETECH^®

WSTĘP

Uszczelki typu RTJ są powszechnie stosowane w połączeniach na instalacjach opartych o kołnierze z oznaczeniem klasy. W przeciągu ostatniego roku poczyniono istotne postępy w zrozumieniu zachowania uszczelek RTJ o przekroju owalnym. Uzupełnieniem wiedzy, pozyskanej w eksperymentach laboratoryjnych, zestawionej z wynikami obliczeń, zgodnie ze standardami obliczeniowymi, mogą być symulacje z użyciem metod numerycznych. Pozwalają one „zajrzeć” do wnętrza połączenia i przeanalizować wpływ zmian różnych czynników, przy kosztach znacznie niższych niż każdorazowe prowadzenie badań w laboratorium. Dlatego postanowiono utworzyć model numeryczny takiego połączenia i przeanalizować korelację wyników z wynikami obliczeń i pomiarów.

MODEL NUMERYCZNY

Do projektu wybrano 3 stale powszechnie stosowane na uszczelki typu RTJ:
- żelazo miękkie „Soft Iron”,
- stal A182 F5,
- stal kwasoodporną 321.
Obliczenia przeprowadzono w programie Midas MeshFree. W odróżnieniu od tradycyjnej metody elementów skończonych, program korzysta z metod bezsiatkowych. Geometrię utworzono, bazując na rzeczywistych wymiarach przylg używanych w Laboratorium Spetech. Są to przylgi normatywne pod uszczelkę w rozmiarze R20 wg ASME B16.20, wykonane ze stopu Alloy C-276. Wybrano uszczelkę owalną.
Warunki brzegowe przedstawiono na Rys. 1.

Rys. 1. Warunki brzegowe: 1. kontakt typu "general" z uwzględnieniem tarcia, 2. siła nacisku prasy, 3. utwierdzenie (więzy symetrii – w płaszczyźnie symetrii połączenia)

WYZNACZANIE SZEROKOŚCI STREFY UPLASTYCZNIONEJ

Aby zweryfikować poprawność modelu, postanowiono podjąć próbę wyznaczenia szerokości uplastycznionej części uszczelki (wokół miejsca kontaktu). Takie wyniki można porównać z wynikami zebranymi przez Laboratorium Spetech, poprzez pomiar wizualny szerokości odkształconego obszaru.

METODOLOGIA UZYSKANIA SZEROKOŚCI STREFY UPLASTYCZNIONEJ

Wyniki symulacji można przedstawić w formie efektywnych odkształceń plastycznych. Mając te wyniki, można wizualnie ocenić, jak szeroka jest część uplastyczniona. Jako kryterium można założyć, że w tej strefie udział odkształcenia plastycznego jest istotny. Można zatem odrzucić „szczątkowe” odkształcenia plastyczne, wynikające z niedoskonałości modelu materiałowego, występujące w całym przekroju uszczelki. Przy doborze odpowiedniej skali kolorystycznej można zauważyć nagły wzrost wartości odkształceń plastycznych. Pomiary wizualne uwzględniły tylko uplastycznienie widoczne na powierzchni uszczelki. Dlatego pod uwagę wzięto obszary na powierzchni uszczelki, ignorując ewentualne uplastycznienie wewnątrz. Szerokość, rzutowaną na płaszczyznę XY, można wyrysować w programie CAD, korzystając ze zrzutów ekranu. Jest to metoda nieco subiektywna i o ograniczonej dokładności, ale za to dająca intuicyjne, łatwe w interpretacji rezultaty. Przykładowy wynik przedstawiono na Rys. 2.

Rys. 2. Przykład odczytu szerokości strefy uplastycznionej

Zabieg powtórzono dla wszystkich materiałów w różnych kombinacjach siły.

SZEROKOŚĆ b_GI ZGODNIE Z EN 1591-1

Szerokość b_GI można wyznaczyć, zgodnie z wymienioną normą, w sposób uproszczony lub dokładny. Ponieważ uproszczony wynik nie zależy od zadanego obciążenia, użyto tylko wzoru dokładnego:

Objaśnienia symboli znajdują się w normie EN 1591-1, w rozdziale 3.

POMIAR SZEROKOŚCI EKSPERYMENTALNIE UZYSKANEJ STREFY UPLASTYCZNIONEJ

Uszczelki typu RTJ poddano naciskowi na prasie badawczej. Po każdym cyklu obciążenia uszczelkę zdemontowano z przylgi i zmierzono szerokość „uszkodzonej” (trwale odkształconej) strefy. Przykładowy pomiar przedstawiono na Rys. 3.

Rys. 3. Odczyt wizualny szerokości strefy uplastycznionej

WYNIKI

Wyniki zestawiono z wynikami z pomiarów wizualnych oraz z wynikami obliczeń według normy EN 1591 1. Wykresy przedstawiono na Rys. 4 – Rys.6.

        
Rys. 4. Szerokość strefy uplastycznionej w funkcji siły, materiał Soft Iron   Rys. 5. Szerokość strefy uplastycznionej w funkcji siły, materiał stal 321

Rys. 6. Szerokość strefy uplastycznionej w funkcji siły, materiał stal F5

WNIOSKI

Wyniki wskazują na pewną korelację szerokości strefy styku, uzyskaną w symulacjach z tą, która wynika z obliczeń wg EN 1591-1. Zaniżone wartości mogą wynikać z faktu, że uwzględniono wyłącznie strefę uplastycznioną, podczas gdy obszary odkształcone elastycznie również mogą oprzeć się o przylgę, zwiększając szerokość efektywną uszczelki. Wyniki symulacji są znacznie bliższe wynikom obliczeń niż wyniki pomiarów wizualnych. Pomiary wizualne są jednak obarczone znacznym błędem, ponieważ wybór obszaru, uznanego za odkształcony, zależy od interpretacji osoby dokonującej pomiarów. Jest to wyjątkowo trudne zadanie w przypadku stref o szerokości zaledwie około 1 mm. Mogą być też znacznie zaniżone, ponieważ możliwe do zauważenia są tylko najmocniej odkształcone trwale obszary. 
W prezentowanym zakresie wyniki wydają się obiecujące. Przy próbach odwzorowania wyższych nacisków pojawiały się problemy numeryczne, powodujące nadmierne odkształcenia uszczelki, szczególnie w obszarach styku. W efekcie nie uzyskano prawidłowych wyników. Wiąże się to zapewne ze złożonością numeryczną zagadnienia, na styku bowiem występuje jednocześnie model plastyczny materiału oraz kontakt nieliniowy. Aby uzyskać prawidłowe wyniki w tym zakresie, może być konieczne zastosowanie metod obliczeniowych pozwalających na badanie większych odkształceń.
 

Masz pytania? Zadzwoń lub napisz:

 RADOSŁAW SIECZKOWSKI
 Kierownik Działu Technicznego SPETECH^®
 +48 501 249 073
 rsieczkowski@spetech.com.pl