Повышение несущей способности сварных цилиндрических оболочек с продольными мягкими швами
Автор: Шахматов Денис Михайлович, Шахматов Михаил Васильевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Краткие сообщения
Статья в выпуске: 39 (298), 2012 года.
Бесплатный доступ
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.
Цилиндрические оболочки, бандаж, сварные соединения, расчетная оценка прочности
Короткий адрес: https://sciup.org/147156745
IDR: 147156745
Текст краткого сообщения 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, 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 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 пср - 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 Кх - коэффициент контактного упрочнения «мягкой прослойки», х - ее относительная толщина; b - ширина мягкой прослойки. Формула имеет смысл в диапазоне значений относительных толщин мягкой прослойки хт>х< 1, где хт - 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 п0п - 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 п0п = 0, выражение (4) преобразуется в зависимость, полученную ранее в работе [8]. В этом случае решение уравнения (1) осуществляется простой подстановкой n и пср. Если бандаж навивается с предварительным натяжением, то есть в формуле (4) появляется составляющая п0п / 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 = п2т / п1т = 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.
Список литературы Повышение несущей способности сварных цилиндрических оболочек с продольными мягкими швами
- Остсемин А.А К расчету предельного состояния бандажированных труб/А.А. Остсемин, В.Ю. Заварухин//Проблемы прочности. -1990. -№ 1. -С. 76-82.
- Безопасность трубопроводов при длительной эксплуатации/К.М. Гумеров, И.Ф. Гладких, М.В. Шахматов и др. -Челябинск: ЦНТИ, 2003. -327 с.
- Шахматов М.В. Технология изготовления и расчет сварных оболочек/М.В. Шахматов, В.В. Ерофеев, В.В. Коваленко. -Уфа: Полиграф-комбинат, 1999. -272 с.
- Правила технической эксплуатации резервуаров и инструкция по их ремонту. Утверждены Госкомнефтепродуктом СССР 26.12.1986. -М.: Недра, 1988. -120 с.
- Смирнов А.И. Об эффективности банда-жирования труб и цилиндрических сосудов/A.И. Смирнов//Проблемы прочности. -1983. -№ 12. -С. 77-79.
- Моношков А.Н. К оценке прочности бандажированных труб/А.Н. Моношков, В.А. Лупин, B.И. Кутепова//Проблемы прочности. -1972. -№ 2. -С. 111-114.
- Блейхер Э.М. Использование бандажированных трубопроводов/Э.М. Блейхер//Транспорт и хранение нефти и газа. -1977. -№ 44. -C. 5-15.
- 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.
- Шахматов М.В. Прочность механически неоднородных сварных соединений/М.В. Шахматов, Д.М. Шахматов. -Челябинск: ООО «ЦПС Сварка и Контроль». -2010. -220 с.