В расчетах на прочность места креплений трубопровода к аппаратам обычно моделируется мертвыми опорами. При оценке компенсирующей способности трубопровода такой прием идет в запас прочности. Однако нагрузки, передаваемые трубопроводом на аппарат, при такой расчетной схеме могут оказаться сильно завышенными. Учет реальной жесткости узла врезки трубопровода в аппарат листовой конструкции позволяет существенно снизить указанные нагрузки.
Универсальным способом определения характеристик узла врезки является расчет по методу конечных элементов (МКЭ) [19]. Однако его применение требует наличия специальных программ, высокой квалификации пользователя и значительных временных затрат. Программный модуль Старт-МКЭ позволяет рассчитывать жесткости (податливости) узлов врезки штуцеров и трубопроводов в сосуды и аппараты листовой конструкции на основе приближенной методики [1,2].
Методика накладывает определенные ограничения на конструкции элементов узла врезки и его расположения, которые указаны в условиях применения. Если данные условия не могут быть выполнены, то при определении жесткости и прочности узла врезки целесообразно воспользоваться универсальными программными средствами на основе метода конечных элементов.
Расчетные схемы врезки штуцера в цилиндрическую обечайку и эллиптическое днище сосудов (аппаратов) листовой конструкции приведены на рис. 1. Другие конструкции врезки в аппарат, представленные в экранном меню модуля, приводятся к этим же расчетным схемам. Так жесткость (податливость) штуцера с укреплением отбортовкой определяется так же, как и для штуцера без укрепления. В то же время, штуцер с укреплением вварной торовой вставкой или вварным кольцом рассчитывается как штуцер с укреплением накладным кольцом.
Рис. 1.
В случае использования штуцеров, пропущенных внутрь (рис 1), внутренние части при расчетах жесткости игнорируются. Расчетные схемы врезки штуцера в сферическую обечайку или сферическое днище аналогичны принимаемой для врезки штуцера в эллиптическое днище. При определении жесткости (податливости) врезки штуцера накладываются следующие ограничения на условия применения:
- ось штуцера направлена по нормали к поверхности обечайки или эллиптического днища;
; 
; 
; 
,
где s – толщина стенки сосуда, D – внутренний диаметр обечайки, d – внутренний диаметр штуцера, L – расчетная длина обечайки, Lш – смещение оси штуцера относительно середины расчетной длины обечайки.
Расчет жесткостей производится в трех направлениях:
;
;
.Соответствующие указанным жесткостям податливости представляют собой обратные величины
Связи штуцера с обечайкой в остальных трех направлениях (линейная вдоль и поперек обечайки, а также угловая вокруг оси штуцера) принимаются абсолютно жесткими.
Определение осевой жесткости врезки штуцера в цилиндрическую обечайку
проводится с помощью зависимостей безразмерного параметра 
от геометрических характеристик
элементов врезки 
,
и 
, представленных на рис. 2.
где δ - перемещение штуцера вдоль его оси;
- средний
радиус цилиндрической обечайки корпуса сосуда или аппарата;
Le - эффективная длина цилиндрической обечайки, в случае
смещения оси штуцера относительно центра обечайки на Lш, 
(рис. 1);
- приведенный радиус штуцера.
После получения значения 
осевая жесткость штуцера
(радиальная обечайки) в месте врезки определяется как:
Для определения изгибной жесткости врезки штуцера в поперечной и продольной
плоскостях
обечайки используются зависимости безразмерных параметров 
от геометрических характеристик
элементов врезки 
,
и 
, представленных на рис. 3, 4.
В этих формулах:
- изгибающий
момент в поперечном и продольном направлениях обечайки соответственно;
- угол поворота
штуцера от изгибающего момент в поперечном и продольном направлениях соответственно;
- эффективная
длина обечайки для определения изгибной жесткости.
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
При наличии накладного кольца жесткость врезки штуцера зависит от его
ширины 
и толщины
. При определении
жесткости используется допущение, что перемещения штуцера под действием
силовых факторов определяются как сумма перемещений штуцера диаметром
(d+2s1), врезанного в обечайку с толщиной (s+s2),
и перемещений штуцера с расчетным диаметром (d+2(s1+l2)) и
обечайкой толщиной s [2]. Жесткость (податливость)
штуцера с укреплением отбортовкой определяется так же, как и для штуцера
без укрепления. При конструкции врезки с вварной торовой вставкой или
вварным кольцом, в качестве ширины накладного листа используется ширина
вставки или кольца. При этом вместо расчетной толщины sр=(s+s2)
принимается толщина торовой вставки или вварного кольца. В случае использования
проходящих штуцеров внутренние части при расчетах жесткости игнорируются.
Определение жесткости в месте врезки штуцера в сферическую обечайку
эллиптическое или сферическое, днище вдоль оси штуцера производится с
помощью зависимости безразмерного параметра 
от геометрической характеристики элементов врезки 
,
представленной на рис. 5.
При этом для определения 
используется расчетный диаметр
для эллиптических днищ:
где x - расстояние от оси штуцера в месте врезки до оси днища (рис.
7-12).
После получения значения радиальная жесткость обечайки
в месте врезки штуцера определяется как:
Рис. 5
Для определения изгибной жесткости врезки штуцера в плоскости действия
момента М используется зависимость безразмерного параметра 
от геометрической характеристики
деталей врезки 
,
представленной на рис. 6.
По полученным перемещениям определяются угловые перемещения оси штуцера:
Таким образом, изгибная жесткость врезки штуцера:
Определение жесткости врезки штуцера при наличии накладного кольца, отбортовки, вварной торовой вставки или вварного кольца производится на основе допущений, принятых для цилиндрической обечайки.
Рис. 6
1. WRC-297 Welding Reserch Council. Bulletin. “Local Stresses in Cylindrical Shells due to External Loadings on Nozzles – Supplement to WRC Bulletin №107”, 1987.
2. BS-5500 : 1976 Specification for Unfired fusion welded pressure vessels. British Standards Institution.