Повышение несущей способности сварных цилиндрических оболочек с продольными мягкими швами

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 791
ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК С ПРОДОЛЬНЫМИ МЯГКИМИ ШВАМИ
Д. М. Шахматов, М.В. Шахматов
INCREASING OF THE BEARING CAPACITY OF WELDED CYLINDRICAL SHELLS WITH LONGITUDINAL SOFT SEAMS
D.M. Shakhmatov, M.V. Shakhmatov
Проведен теоретический анализ прочности бандажированных труб с мягкими продольными швами. Полученные расчетные зависимости позволяют произвести оценку предельного внутреннего давления для рассматриваемых конструкций с учетом параметров намотки бандажа (стальной проволоки), диаметра оболочек и толщины стенки. Даны рекомендации по повышению работоспособности сварных цилиндрических оболочек.
Ключевые слова: цилиндрические оболочки, бандаж, сварные соединения, расчетная оценка прочности.
The article provides a theoretical analysis of the strength of banded pipes with soft longitudinal seams. Obtained calculated dependence allows to evaluate the limit internal pressure for the considered structures as a function of parameters of the band winding (steel wire), shell diameter and wall thickness. The article includes recommendations to improve the performance of welded cylindrical shells.
Keywords: cylindrical shells, bandage, welded joints, calculated evaluation of strength.
Одним из резервов повышения несущей способности цилиндрических оболочек и трубопроводов, работающих при высоком внутреннем давлении, является их усиление посредством намотки на наружную поверхность стальной проволоки, ленты или композиционных систем на основе полимерных материалов [1, 2]. Технология нанесения данных материалов (бандажирование) нашла широкое применение при восстановлении работоспособности отдельных участков трубопроводов в процессе их ремонта, для предотвращения протяженных лавинных разрушений в магистральных газопроводах, при ремонте вертикальных стальных резервуаров и т. д. [3, 4]. Эффективность бан-дажирования в основном определяется величиной предварительного натяжения проволоки или ленты, толщиной обмотки и ее механическими характеристиками, а также характеристиками материала и размерами оболочек [5]. Назначение этих параметров в виде рекомендаций, как правило, определяется исходя из планируемого уровня внутреннего давления в оболочковых конструкциях без учета фактора механической неоднородности их сварных соединений [1, 5−7]. В то же время практика изготовления оболочковых конструкций свидетельствует о том, что их сварным соединениям присуща механическая неоднородность. Например, для сварных оболочковых конструкций, вы-
полненных из высокопрочной стали 12ГН2МФАЮ (среднее значение свт = 889 МПа). Металл продольного сварного шва выполнен под флюсом АН 17 М сварочной проволокой Св10НМА (среднее значение свм = 727 МПа). Степень механической неоднородности Кв (отношение временных сопротивлений основного более твердого металла свт и мягкого металла шва свм) Кв = свт / свм = 1,22.
Аналогично для оболочковых конструкций из стали 12Г2СМФ, выполненных сваркой под флюсом сварочной проволокой Св10НМА, степень механической неоднородности составляет Кв = 1,17 [2, 3]. При изготовлении труб с применением высокопроизводительных гибридных способов сварки (лазерной в сочетании с дуговой), с применением сварки токами высокой частоты, контактной сварки в сочетании с дуговой в зоне термического влияния также появляются участки, металл которых по механическим характеристикам может значительно отличаться от характеристик основного металла. В этом случае расчет силовых параметров бандажа и несущей способности оболочковых конструкций должен базироваться на оценке прочности их сварных соединений с учетом фактора механической неоднородности.
Навивка бандажа на наружную поверхность цилиндрических оболочек приводит не только к усилению конструкции, но изменяет соотношение
главных напряжений в стенке рассматриваемых оболочек п = о2т / о/ от его значений п = 0,5 до п = 1, (где о2т и 0]т — напряжения, направленные вдоль и поперек оси трубы соответственно). В связи с этим необходимо определить взаимосвязь п (показателя двухосности) с параметрами навиваемого бандажа. Учитывая, что на практике используются в основном три вида бандажа (стальная проволока, жгуты из стеклопластика и стекловолоконная намотка на связующем компоненте в виде смолы или клея), ограничимся рассмотрением навивки бандажа в виде стальной проволоки. Данный тип бандажа при решении поставленной задачи является обобщающим и при определенных условиях переходит в решение для остальных типов бандажей.
В качестве начальных условий используются основные допущения, аналогичные допущениям работ [1, 6, 8]. При этом главные оси напряжений и деформаций совпадают с главными осями цилиндрической оболочки (в данном случае рассматривается труба) — наматываемый профиль расположен перпендикулярно образующей трубы- главные окружные деформации при нагружении бандажи-рованного участка трубы внутренним давлением р в стенке е1 ив обмотке е10 равны между собой е1 = е10- модули упругости и коэффициенты Пуассона для материала обмотки (стальная проволока) и материала трубы (сталь) равны между собой (Ео = Ет, цо = цт = ц). Пределы текучести и прочности материала бандажа выше соответствующих характеристик материала трубы- кольцевые усилия воспринимаются трубой совместно с бандажом, а продольные — только трубой- рассматриваются витки бандажа, расположенные вплотную друг к другу с эквивалентной толщиной Но, под которой понимается высота слоя обмотки, площадь поперечного сечения которой равновелика поперечному сечению профиля обмотки (для проволоки диаметром й0 эквивалентная толщина Ло = (ш10с) / 4, где с — количество слоев навивки).
Следуя алгоритму решения, изложенному в работе [8], и опуская промежуточные выкладки, можно представить выражение для определения несущей способности (максимального давления) сварных цилиндрических оболочек в следующем виде:
ртах = 2пМ / Я, (1)
где оср — предельные напряжения в продольном сварном соединении оболочки, ослабленном мягкой прослойкой- / - толщина стенки оболочки- Я — внутренний радиус оболочки.
Полученное выражение (1) показывает, что несущая способность цилиндрических оболочек, помимо традиционных параметров, зависит от прочности сварных соединений оболочки и параметра двухосности п. При отсутствии бандажа и при Кв = 1 (при равенстве временного сопротивления ов металла шва и основного металла, то есть оср = ов) параметр двухосности для цилиндриче-
ских оболочек п = 0,5. В данном случае зависимость (1) преобразуется в известную «котельную» формулу, представленную решением Лапласа для тонкостенных оболочек. В случае наличия в сварном соединении механической неоднородности значения прочности сварного соединения оср могут быть определены по методикам, изложенным в работе [9]. Например, в случае, когда продольный сварной шов или разупрочненный участок в зоне термического влияния можно представить в виде прямоугольной мягкой прослойки, прочность металла которой — овм, формула для определения несущей способности сварного соединения имеет вид:
оср = Ровм[(1 / Кв) + (Кв — 1) К* / Кв]-
К* = (1 + х)2 / 4х- х = Ь / /- (2)
в = 1,154 / [1 + 0,154(2п — 1)2]0,5, (3)
где Кх — коэффициент контактного упрочнения «мягкой прослойки», х — ее относительная толщина- Ь — ширина мягкой прослойки. Формула имеет смысл в диапазоне значений относительных толщин мягкой прослойки Хх & gt- х & lt- 1, где Х — относительная толщина прослойки, при которой за счет эффекта контактного упрочнения прочность сварного соединения достигает прочности основного более твердого металла.
Показатель двухосности п в стенке цилиндрической оболочки, усиленной бандажом в виде стальной проволоки, определяется по следующей формуле:
п = 02 т / 01 т = {1 + [(1 —
— 0,5ц)Л / (Г+0,5^о)]} / 2[1 — (коОоП / рЯ)], (4)
где о0п — напряжение от предварительного натяжения стальной проволоки- ц — коэффициент Пуассона- ко — эквивалентная толщина намотки- р — внутреннее давление в оболочке.
При отсутствии предварительного натяжения проволоки, то есть при о0п = 0, выражение (4) преобразуется в зависимость, полученную ранее в работе [8]. В этом случае решение уравнения (1) осуществляется простой подстановкой п и оср. Если бандаж навивается с предварительным натяжением, то есть в формуле (4) появляется составляющая о0п / р, решение уравнения (1) может осуществляться методом итераций. При этом максимальное значение давления, соответствующее потере пластической устойчивости, достигается при п = 1, а разрушение происходит по кольцу.
Если в качестве бандажа обмотки используют жгуты из стеклопластика, материал которых имеет модуль упругости Ео, который отличается от модуля упругости металла оболочки Ет, коэффициенты Пуассона ц по-прежнему одинаковые, а намотка осуществлена без значительного усилия, то можно принять о0п = 0. Параметр двухосности при этом равен [9]:
п = 02 т / оГ = 0,5 +
+ [(1 — 0,5ц)ЕЛ / (2Ет + ЦЕЛ,)]. (5)
146
Вестник ЮУрГУ, № 39, 2012
Шахматов Д. М., Шахматов М. В.
Повышение несущей способности сварных цилиндрических оболочек с продольными мягкими швами
На основе теоретического анализа получена расчетная оценка бандажированных труб для цилиндрических оболочковых конструкций с учетом имеющейся механической неоднородности их сварных соединений. Полученное решение позволяет в зависимости от параметров бандажа прогнозировать изменение соотношения главных напряжений в оболочках и значительно (до двух раз) повышать их предельную несущую способность.
Литература
1. Остсемин, А. А К расчету предельного состояния бандажированных труб /А.А. Остсемин, В. Ю. Заварухин // Проблемы прочности. — 1990. -№ 1. — С. 76−82.
2. Безопасность трубопроводов при длительной эксплуатации / К. М. Гумеров, И. Ф. Гладких, М. В. Шахматов и др. — Челябинск: ЦНТИ, 2003. -327 с.
3. Шахматов, М. В. Технология изготовления и расчет сварных оболочек / М. В. Шахматов,
В. В. Ерофеев, В. В. Коваленко. — Уфа: Полиграф-комбинат, 1999. — 272 с.
4. Правила технической эксплуатации резервуаров и инструкция по их ремонту. Утверждены
Госкомнефтепродуктом СССР 26. 12. 1986. — М.: Недра, 1988. — 120 с.
5. Смирнов, А. И. Об эффективности банда-жирования труб и цилиндрических сосудов /
A.И. Смирнов // Проблемы прочности. — 1983. -№ 12. — С. 77−79.
6. Моношков, А.Н. К оценке прочности бандажированных труб /А.Н. Моношков, В. А. Лупин,
B.И. Кутепова // Проблемы прочности. — 1972. -№ 2. — С. 111−114.
7. Блейхер, Э. М. Использование бандажиро-ванных трубопроводов / Э. М. Блейхер // Транспорт и хранение нефти и газа. — 1977. — № 44. -
C. 5−15.
8. Методические указания к выбору конструкции труб большого диаметра для магистральных трубопроводов / Ю. И. Блинов, А. Н. Моношков, В. А. Лупин и др.- Министерство черной металлургии- Союзтрубосталь- УралНИТИ. — Челябинск: УралНИТИ, 1977. — 44 с.
9. Шахматов, М. В. Прочность механически неоднородных сварных соединений / М. В. Шахматов, Д. М. Шахматов. — Челябинск: ООО «ЦПС Сварка и Контроль». — 2010. — 220 с.
Поступила в редакцию 25 июня 2012 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой