-2-
ОШВЛЕНИЕ
стр.
$
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1. Теоретические и экспериментальные данные, определяющие особенности работы многослойных сосудов высокого давления под нагрузкой ^
1.2. Контактная податливость и силы трения в составных многослойных конструкциях
1.3. Механика слоистых ооолочек и многослойные сосуды высокого давления. И
1.4. Основные выводы и постановка задачи 22
ГЛАВА 2. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СПИРАЛЬНО-РУЛОННЫХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
2.1. Определение несущей способности спирально-рулонных сосудов без учета сил трения между слоями 27
2.2. Предельная прочность спирально-рулонных сосудов
с учетом сил трения -33
2.3. Расчет несущей способности многослойной стенки сосуда высокого давления при различных пластических свойствах материала слоев
2.4. Исследование коэффициента трения для рулонного проката ^
2.5. Экспериментальное определение несущей спосооности моделей и сосудов спирально-рулонной конструкции £7
ГЛАВА 3. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СОСУДОВ СПИРАЛЬНО-РУЛОННОЙ КОНСТРУКЦИИ
3.1. Аналитическое определение упругих характеристик
61
спирального слоя
— 3-
стр,
3.2. Расчет напряженного состояния спирально-рулонного сосуда как анизотропного цилиндра 77
3.3. Аппроксимирующая функция сближения контактирующих поверхностей листового проката
3.4. Анализ результатов числовых расчетов напря -женного состояния спирально-рулонных сосудов 33
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СПИРАЛЬНО-РУЛОННОЙ НАВИВКИ НА ОБРАЗЦАХ
4.1. Методика изготовления и испытания спиральнорулонных образцов ^
4.2. Расчет напряженно-деформированного состояния спирально-рулонной навивки, сравнение с эксперименталь-ными данными
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СПИРАЛЬНО-РУЛОННЫХ СОСУДОВ
5.1. Техника и методы эксперимента 426
5.2. Напряженное состояние спирально-рулонных сосудов при упруго-пластических нагружениях №3
5.3. Напряженное состояние при упругих деформациях, сравнение с расчетами 450
ГЛАВА 6. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА СШРАЛьНО-РУЛОННЫХ СОСУДОВ
6.1. Общие положения 4£3
6.2. Методика расчета элементов цилиндрической части спирально-рулонных сосудов 4^3
6.3. Определение эквивалентных напряжений на внутренней поверхности сосуда 467
6.4. Расчет промышленных сосудов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ
~5~~
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы производства сосудов высокого давления, удовлетворяющих требованиям экономичности, простоты технологии их изготовления и высокой надежности привели к созданию сосудов многослойных конструкций. Многослойная конструкция имеет чрезвычайно большие преимущества перед другими конструкциями сосудов. Так , например, выполнение корпуса из большого числа слоев тонкой лис -тобой стали дает возможность выпускать сосуды быстрее и значительно дешевле, по сравнению с цельнокованными и кованосварными конструкциями, особенно при производстве сосудов больших размеров.
Для обеспечения коррозионной стойкости многослойного сосуда необходимо изготовить из нержавеющей стали только центральную обечайку.
В настоящее время наиболее прогрессивной является рулонирован-ная конструкция многослойных сосудов, обеспечивающая достаточную экономичность и максимальную механизацию их производства.
Однако, рулонированные сосуды имеют существенный технологический недостаток, заключающийся в том, что они изготавливаются из отдельных обечаек, которые приходится сваривать между собой массивными кольцевыми швами. Экономический анализ показывает,что 50-60% трудозатрат составляют технологические операции, связанные с выполнением и контролем качества кольцевых швов. Кроме того сварные кольцевые швы являются зоной повышенных напряжений из-за различной податливости кольцевого шва и многослойной стенки. Устранение массивных кольцевых швов в многослойных цилиндрических оболочках значительно упростило бы технологию и повысило эффек -тивность производства сосудов высокого давления.
ИркутскНШхиммашем совместно с заводом Уралхиммаш была разработана спирально-рулонная конструкция сосудов высокого давле -ния, исключающая массивные кольцевые швы.
-6-
Новизна и практическая ценность конструкции защищена авторским свидетельством /3/, и патентами /47-51/. Спирально-рулонные сосуды могут быть использованы в качестве корпусов реакционных колонн, теплообменников, ресиверов, сепараторов и т.п. в химической, нефтехимической и энергетической промышленности.
Технико-экономический анализ показал, что стоимость изго -товления колонны синтеза аммиака 0 2400 мм и длиной 16250 мм в спирально-рулонном исполнении, по нормам завода "Уралхиммаш" , на 81,5 тыс.рублей нике стоимости аналогичного сосуда рулониро-ванной конструкции.
В ИркутскНИИхимыаше в соответствии с постановлением Госу -дарственного Комитета по науке и технике при Совете Министров СССР № 390 от 5 ноября1976 года проводится комплекс научно-ис -следовательских работ по освоению новой конструкции сосудов высокого давления. В процессе исследований была спроектирована и изготовлена установка для навивки сосудов диаметром до 1000 мм /16/. Было изготовлено и испытано 13 сосудов и моделей.
Предметом настоящей диссертации и является исследование работоспособности и прочности сосудов высокого давления спиральнорулонной конструкции.
Работа выполнена в ИркугскНИИхиммаше и на кафедре "Сопро -тивление материалов" МИХМа.
Основные цели и задачи диссертации:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния сосудов высокого давления спирально-рулонной конструкции.
2. Теоретические и экспериментальные исследования несущей способности спирально-рулонных сосудов с учетом сил трения и различных пластических свойств материала слоев.
3. Теоретические и экспериментальные исследования упругих характеристик спирально-рулонной навивки, как анизотропного тела.
4. Создание инженерных методов расчета напряженного состояния и несущей способности спирально-рулонных сосудов.
На основании полученных данных разработана упрощенная инженерная методика расчета спирально-рулонных сосудов, которая вошла во вторую редакцию отраслевого стандарта "Сосуды спирально-рулонные на давление до 100 МПа (1000 кгс/см2) и температуру до 300°С. Нормы и методы расчета. Результаты работы использованы при проектировании двух опытно-промышленных сосудов, один из которых эксплуатируется на Губахинском химическом заводе, второй входит в опытную установку деструкции биомассы, монтируемую в ЧССР.
На защиту выносятся следующие результаты, имеющие научную новизну и практическую ценность.
1. Метод расчета несущей способности спирально-рулонных сосудов, учитывающий различные пластические свойства слоев и действующие между ними силы трения.
2. Метод расчета упругих характеристик спирально-рулонных слоев в зависимости от сил трения и контактного давления.
3. Метод расчета напряженного состояния спирально-рулонного сосуда как толстостенной анизотропной оболочки с учетом контактной податливости.
4. Новый вид функции контактной податливости, более точно описывающей физическую сущность процесса контакта слоев под нагрузкой в многослойных системах.
5. Упрощенная инженерная методика расчета несущей способности и напряженного состояния спирально-рулонных сосудов, разра-
-3-
ботанная на базе проведенных исследований и числовых расчетов на ЭВМ.
Автор весьма признателен кандидату технических наук П.Г.Пимштейну за многочисленные консультации при постановке и решении рассматриваемых задач, а также за ценные советы и полезные замечания.
Автор признателен сотрудникам ИркутскНИИхинмаша и кафедры "Сопротивление материалов" МИХМа за оказанную помощь при выполнении работы.
1
I
-9-
ГЛАВА I.' СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1» Теоретические и экспериментальные данные.определяющие особенности работы многослойных сосудов высокого давления под нагрузкой
Идея создания составных цилиндров была выдвинута и обоснована еще в прошлом веке русским ученым А.В.Гадолиным /17/. Расчетами многослойных сосудов высокого давления занимались многие авторы. Так вопросами прочности многослойных оболочек для слу -чая идеального прилегания слоев без натяга посвящены работы М.И.Бейлина, Е.И.Либиной /9/ и С.А.Вильница /13/. Авторы этих работ исходили из предпосылок, что радиальные перемещения постоян-1 ны по толщине стенки. Такое предположение справедливо лишь для тонкостенных оболочек. Расчеты толстостенных сосудов по методи -кам указанных работ дают ошибку, возрастающую с увеличением тол-стостенности цилиндра.
На основании многочисленных экспериментальных данных и теоретических исследований напряженного состояния многослойной стенки сосудов высокого давления, изготовленных из листового проката, можно сделать вывод о наличии в подобных конструкциях двух противоположных факторов: неплотностей между слоями и предварительного напряженного состояния.
Впервые расчет цилиндра, состоящего из двух слоев с зазором, был выполнен Н.Ф.Дроздовым, который рассмотрел не только упругую работу, но и автофретаж такого цилиндра /24/. И.М.Найдич и
А.И.Розен, обобщая методику Н.Ф.Дроздова на основе современной теории пластичности, используют при расчете двухслойного сосу -да с зазором метод "отрицательных натягов" /24/. Последователь -но применяя этот метод, можно рассмотреть сосуд с любым числом
-/0-
I
слоев. 4
В.А.Коваленко с соавторами /28/ предположил, что в много -слойном цилиндре, состоящем из концентрических слоев с зазора -ми, в процессе возрастания внутреннего давления зазоры уменьшаются до нуля и напряженно-деформированное состояние цилиндра ста -новится аналогичным однослойному. Сравнение упруго-пластическо -го состояния многослойной цилиндрической оболочки, рассчитанной при таком подходе, с экспериментальными данными /б/ говорит об их удовлетворительном совпадении.
В иностранной технической литературе также приводятся расчеты, учитывающие предварительные напряжения при изготовлении многослойной стенки с одновременным наличием зазоров между слоями /83,93/.
Броунель и Юнг /83/ предлагают метод теоретического определения предварительных напряжений, возникающих при изготовлении сосудов с концентрическим расположением слоев во время накладки и сварки каждого слоя продольным швом. В статьях японских авторов /1,29,79/ отмечено наличие межслойных зазоров, снижающих проч -ность многослойных сосудов высокого давления. Результаты экспериментальных исследований, приведенные в /29/ говорят о том, что с уменьшением межслойного зазора несущая способность сосуда увели -чивается и при зазоре равном 0,02*0,03 мм, сосуд становится равнопрочным однослойному. По этой причине в работах /80,82,84,85 , 89,90,92/ предельное давление рассчитывается из условия, что под внутренним давлением, когда стенка переходит за предел текучести при наличии предварительных напряжений сжатия, слои настолько плотно прилегают друг к другу, что в дальнейшем многослойная стенка ведет себя как сплошная.
Авторы указанных работ, используя различные теории прочности и пластичности и учитывая повышенную пластичность многослой -
- //-
ной стенки, приводят ряд формул для расчета давления разрушения многослойных сосудов.
В стандартах американского общества инженеров механиков для расчета сосудов с отношением диаметром большим 1,5 предлагается пользоваться формулой Ляме, а при отношении меньшем или равном 1,5 - приближенной формулой Бордыана /82/:
о
В работах /81,86,87,88,94/ даны эмпирические зависимости для определения несущей способности многослойных сосудов.
Таким образом, в известных нам зарубежных источниках расчеты геометрических параметров многослойной стенки производятся в основном по предельному давлению без учета влияния зазоров на работоспособность сосудов.
Зто обстоятельство объясняется тем, что крайне редки случаи разрушения многослойных сосудов в течение длительного времени их эксплуатации. Правда, Пальмер /91/ в предположении постоянства радиальных перемещений по толщине стенки предложил методику расчета напряженно-деформированного состояния сосуда с зазором между слоями, которая справедлива только для тонкостенных оболочек.
Рулонированные сосуды по своим технико-экономическим показателям превосходят многослойные сосуды с концентрическим расположением слоев. В отличие от многослойных оболочек с концентрическими слоями в рулонированных сосудах возможно проскальзыва -ние слоев и, таким образом, прочность многослойной стенки зависит от сил трения.
где
- предельное давление,
(o’g - предел прочности материала, JZn - толстостенность сосуда.
\
I
В работе Ю.М.Сагидаева /73/ рассмотрено проскальзывание слоев при последовательной выборке зазоров за счет деформации центральной обечайки.
Если предположить, что силы трения полностью отсутствуют и возможно свободное проскальзывание витков, тогда кольцевые нагрузки должны восприниматься только центральной обечайкой и наружным замкнутым слоем. Между тем эксперименты показывают,что плотность навивки и зависящие от нее силы трения оказывают большое влияние на напряженное состояние и прочность рулонированных сосудов. Теоретическому исследованию напряженного состояния рулонированных сосудов с учетом сил трения посвящены статьи Г.С.Писаренко и А.Е.Бабенко /7,65,66/. В них многослойная руло-нированная оболочка охематизируется трехслойной, состоящей из внутренней тонкой цилиндрической обечайки,, промежуточного слоя, моделирующего спиральную навивку и последнего заваренного витка. По замыслу авторов промежуточный слой учитывает силы трения при частичном и полном проскальзывании витков. Однако, диффе -ренциальные уравнения, описывающие распределение усилий в этом слое, составлены без учета особенностей контактного взиимодей -ствия спиральных слоев. В работах /22, 23,34,35/ на примере многослойной цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением, исследуется характер проскальзывания витков и напряженно-деформированное состояние в зависимости от величины коэффициента трения при различных перехлестах слоев и различных вариан -тах закрепления навивки. В работе /78/ тех же авторов, много -слойная рулонированная оболочка представляется в виде трехслой-ного цилиндра. Свойства промежуточного слоя анизотропны и определяются усреднением упругих характеристик навивки.
В.И.Воронин /14/, пренебрегая межслойными зазорами и силами трения, предлагает схему расчета тонкой многослойной оболоч-
ки вращения, в которой допускается самостоятельная работа каждого слоя. Изгибная жесткость такой оболочки равна сумме жест -костей составляющих ее, нескрепленных между собой, однослойных оболочек.
Н.П.Мельников и Н.П.Потапов /40/ предложили модель физически нелинейного материала, учитывающего особенности реального многослойного пакета. Пакет заменяется сплошным трансверсально изотропным телом с приведенными упругими характеристиками и дополнительными условиями, наложенными на тангенциальные и нор -мальные к поверхности слоев напряжения. Механические свойства идеализированного материала определяются уравнениями (1.1-1.3)
£» - Цр-- Ър. ■ (1Л)
С/ Сг £
р - _ ^2. ■ )/ /
Ч г —(Г- )
° ** = Ъ с** ■
Здесь принято, что £, и 5/, соответственно, модуль упругости и коэффициент Пуассона для материала слоя, являющегося постоянным для всего пакета;
^ - приведенные характеристики, определяемые экспериментально и зависящие от нормального к поверхности слоев напряжения 6“х и параметров связанных с геометрией
контактирующих поверхностей:
£л =£г (£<> • -V£*> &г)'> 6^6•• VIйк>
^ • -V £*■> ^ш) ■ ^
Так как в реальном многослойном пакете возможно существование зазоров и при достижении тангенциальными усилиями опреде -ленной величины происходит проскальзывание слоев, то на каса -тельные напряжения накладываются дополнительные условия
/г„/й ^..,/ч<ч); %)}
при <5^ = 0 , (1.3)
^г=0; =0 при
В.Н.Гордеев с соавторами /18/ методом конечных элементов решает задачу об упругой и упруго-пластической работе рулониро-ванной толстой оболочки. Спиральная навивка представляется средним слоем из гипотетического материала с нелинейными физическими свойствами, зависящими от величины зазоров и контактной податливости слоев.
Связь компонентов напряжений и деформации навивки в кольцевом, осевом и радиальном направлениях определяется следующими соотношениями
'£* = (&1 1- + <?ї + Г в >
Уи -£(*+*$- %(**№+
бг О -, Є£(6і + є?) = о,
где б\ - контактные напряжения; с ^ и 5^-
соответствующие им деформации при различных стадиях контакта; ^0- некоторая характерная величина контакта, при которой ^ =0, £ - коэффициент, учитывающий контактную податливость; сУ = -- , где £ - текущий радиус; А- толщина витка.
(I.*)
- І5~~
Завиоимости (1.4) справедливы при отсутствии проскальзывания слоев. Поэтому в каждой точке контакта должно выполняться условие / ^ /• 6^. , которое в компонентах
напряжений, связанных с направлениями і} 2 можно зали -
сать: . .
+^)<эс О)
(оС- /) О; (1.5)
где У - коэффициент трения скольжения.
В рассматриваемой работе возможное проскальзывание слоев при преодолении сил трения представляется как и в /78/ в виде односторонних внутренних связей и учитывается при составлении уравнений равновесия и выборе граничных условий. Несмотря на различные расчетные схемы и методы решения, общий подход,учитывающий наиболее характерные особенности и факторы рулониро-ванной многослойной конструкции, в публикациях /40/ и /18/ совпадает. Чтобы убедиться в этом достаточно сравнить исходные соотношения (I.1*1.3) и (1.4, 1.5), выбранные в качестве механических характеристик материала многослойного пакета и толстой рулонированной оболочки.
Значительный интерес представляют теоретические и экспериментальные результаты по исследованию многослойных сосудов,выполненные П.Г.ПимштеЙном с соавторами /52-59/. Б этих работах предложена методика определения напряжений в многослойных оболочках с учетом натяга, технологических зазоров, контактной податливости и сил трения между слоями.
1.2. Контактная податливость и силы трения в составных
многослойных КОНСТРУКЦИЯХ
Авторами работ /12,18,40,52/ установлено,что вследствие серповидности проката,макронеровностей и шероховатости контак-
-мутирующих поверхностей, идеальной плотности прилегания слоев в многослойных сосудах достичь невозможно . Это приводит к воз -никновению межслойных зазоров и повышенной податливости стенки в радиальном направлении. В качестве зависимости между контактным сближением поверхностей листового проката и контактным давлением Р в работе./58/ предлагается использовать функ -цию /7?/:
/= Ар у (1.6)
где А и и) - некоторые константы.
В /12/ экспериментально определены величины А и Ы для проката, используемого при изготовлении промышленных сосудов. Предложенная нелинейная зависимость между контактным давлением и перемещением характерна тем, что при первоначальном контакте малым величинам давлений соответствуют значительные перемещения, это объясняется тем, что первоначальное сближение слоев вызвано выправлением макронеровностей вследствие местного изгиоа каждого слоя под действием контактного давления, а дальнейшее сближение связано со смятием микронеровностей. Создание предвари -тельного контактного давления между слоями при натяге имеет боль4 шое значение, так как в свободной (не сжатой) стенке площадь фактического контакта, а значит и сила трения между слоями бу -дет значительно меньше и может быть недостаточной для обеспече -ния прочности сосуда.
В /12/ рассмотрена зависимость напряженного состояния руло-нированной многослойной стенки от сил трения между слоями, которые, в свою очередь, зависят от плотности прилегания слоев и контактной податливости. Величина сил трения между слоями про -порциональна коэффициенту трения ^ и радиальному напряжению 6\ . Очевидно, что касательные напряжения Т/ , передавав -
-/7-
мые слоями не могут превышать величины УУ^г./. Теоретические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ввиду неплотного прилегания слоев на внутренней поверхности отмечаются повышенные осевые и кольцевые напряжения с одновременным их понижением :к наружной поверхности.
Отсюда следует, что радиальные напряжения в многослойном сосуде убывают от внутренней поверхности к наружной более резко, то естц градиент радиальных напряжений во внутренних слоях
больше, а в наружных меньше, чем в однослойном сосуде. В работе /12/ предлагается радиальные напряжения на радиусе (С =1,
2,3, ... , /г. - { ) приближенно вычислять по формуле Ляме:
^ 0 - Ь) ’
где /2 У - коэффициент, зависящий от плотности прилегания слоев, который определяется как среднее отношение радиальных напряжений в многослойном и однослойном сосудах, для качествен' ной оценки принимается, что коэффициент "а" равен отношению площади плотного прилегания слоев к общей площади их контакта
а =
&ПА
3 о7иЦ
Величина сил трения, в значительной мере влияющих на прочность рулонированных сосудов, зависит как от уровня радиальных напряжений, так и от площади плотного прилегания слоев 3Пл . В самом деле, если предположить, что силы трения равномерно рас -пределены по всей поверхности прилегания слоев 30$щ , тогда нормальная сила, действующая на поверхности контакта, должна быть равна , где р контактное давление. Но при
наличии менслойных зазоров, силы трения действуют только в местах плотного прилегания и равны 8ПЛ , где - но-
минальный коэффициент трения. Тогда приведенный (распределенный
- Київ+380960830922