Повышение несущей способности сварных цилиндрических оболочек с продольными мягкими швами

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 σвт = 889 МПа). Металл продольного сварного шва выполнен под флюсом АН 17М сварочной проволокой Св10НМА (среднее значение σвм =727 МПа). Степень механической неоднородности Кв (отношение временных сопротивлений основного более твердого металла σвт и мягкого металла шва σвм) Кв = σвт / σвм = 1,22.

Аналогично для оболочковых конструкций из стали 12Г2СМФ, выполненных сваркой под флюсом сварочной проволокой Св10НМА, степень механической неоднородности составляет К в = 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 n = п2 / п1т от его значений n = 0,5 до n = 1, (где п2т и п/ - напряжения, направленные вдоль и поперек оси трубы соответственно). В связи с этим необходимо определить взаимосвязь n (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 е ₁ и в обмотке е ₁ , ₀ равны между собой е ₁= е ₁ , ₀; модули упругости и коэффициенты Пуассона для материала обмотки (стальная проволока) и материала трубы (сталь) равны между собой ( Е _о= Е _т, ц_о = ц_т = 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 h _о, под которой понимается высота слоя обмотки, площадь поперечного сечения которой равновелика поперечному сечению профиля обмотки (для проволоки диаметром d ₀ эквивалентная толщина h₀ = (п d ₀ с) / 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:

^р max ^{2 n п} ср t / R , ⁽¹⁾ где п_ср - предельные напряжения в продольном сварном соединении оболочки, ослабленном мягкой прослойкой; t - толщина стенки оболочки; R - внутренний радиус оболочки.

Полученное выражение (1) показывает, что несущая способность цилиндрических оболочек, помимо традиционных параметров, зависит от прочности сварных соединений оболочки и параметра двухосности n. При отсутствии бандажа и при Кв = 1 (при равенстве временного сопротивления пв металла шва и основного металла, то есть пср = пв) параметр двухосности для цилиндриче- ских оболочек n = 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 пср 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 - пвм, формула для определения несущей способности сварного соединения имеет вид:

П ср =вп в ^м[(1/ К в )+(К в -1)К / К в ];

К =(1+ х)²/4х; х = b / t ;                    (2)

в =1,154/[1+0,154(2 n -1)²]⁰ , ⁵,               (3)

где К_х - коэффициент контактного упрочнения «мягкой прослойки», х - ее относительная толщина; b - ширина мягкой прослойки. Формула имеет смысл в диапазоне значений относительных толщин мягкой прослойки х_т>х< 1, где х_т - относи -тельная толщина прослойки, при которой за счет эффекта контактного упрочнения прочность сварного соединения достигает прочности основного более твердого металла.

Показатель двухосности n в стенке цилиндрической оболочки, усиленной бандажом в виде стальной проволоки, определяется по следующей формуле:

n = П 2 ^т / П 1 ^т ={1 + [(1 -

• - 0,5ц) h о / ( t + 0,5 ц h о )] } / 2[1 - ( h о п 0 / pR )], (4) где п₀^п - напряжение от предварительного натяжения стальной проволоки; ц - коэффициент Пуассона; h о - эквивалентная толщина намотки; р - внутреннее давление в оболочке.

При отсутствии предварительного натяжения проволоки, то есть при п₀^п = 0, выражение (4) преобразуется в зависимость, полученную ранее в работе [8]. В этом случае решение уравнения (1) осуществляется простой подстановкой n и п_ср. Если бандаж навивается с предварительным натяжением, то есть в формуле (4) появляется составляющая п₀^п / р , решение уравнения (1) может осуществляться методом итераций. При этом максимальное значение давления, соответствующее потере пластической устойчивости, достигается при n = 1, а разрушение происходит по кольцу.

Если в качестве бандажа обмотки используют жгуты из стеклопластика, материал которых имеет модуль упругости Е _о, который отличается от модуля упругости металла оболочки Е _т, коэффициенты Пуассона ц по-прежнему одинаковые, а намотка осуществлена без значительного усилия, то можно принять п 0 ^п = 0. Параметр двухосности при этом равен [9]:

n = п₂^т / п₁^т = 0,5 +

• + [(1-0,5 ц ) Е о h о /(2 tE т + ц Е о h о )].             (5)

  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.