МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОСТЕННОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ РУЛОНИРОВАННОЙ ОБОЛОЧКИ

В связи с разработкой конструкции и технологии изготовления; многослойных труб большого диаметра для магистральных газопро­водов в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР были проведены исследования многослойной рулонированной оболочки, имеющей малое количество слоев.

В проводимых ранее исследованиях [1—4] изучались рулониро­ванные оболочки, имеющие внутри центральную трубу, несущую на себе многослойную навивку. Экспериментальные исследования мно­гослойной рулонированной оболочки, не имеющей центральной тру­бы, предприняты впервые.

Целью испытаний являлась проверка правильности выбора кон­структивных и технологических решений, принятых для обеспечения прочности тонкостенной многослойной рулонированной оболочки.

Экспериментальная многослойная рулонированная оболочка (об­разец) наружным диаметром 1420 мм и толщиной стенки 20 мм была изготовлена из трех многослойных обечаек длиной 1240 мм (рис. 1).

Каждая обечайка имела пять слоев рулонной горячекатаной стали марки 09Г2СФ толщиной 4 мм, свернутых по спирали в цилиндр. Для обеспечения несущей способности навивка скреплялась с по­мощью нахлесточных проплавных швов с проваром пе менее чем на два слоя. Нахлест — утолщенная часть многослойной стенки — составлял 250 мм.

Механические свойства примененной рулонной стали марки 09Г2СФ следующие: aR = 600 МПа, ат = 450 МПа. По этим механическим

свойствам и приведенным выше геометрическим размерам был прове­дан расчет рабочего и пробного давлений, а также давлений текучести всей стенки и разрушения испытываемого образца (таблица).

При подготовке образца к испытаниям выполнялись следующие работы: дефектоскопия сварных швов, в том числе гамма-просвечи­вание кольцевых швов, вакуум-пузырьковый и пневматический конт­роль нахлесточных швов; определение плотности многослойной стенки вакуум-пневматическим способом путем измерения суммарного объема зазоров (в одной обечайке условный средний зазор составил

0,05 мм, в двух остальных —0,08 мм); нанесение и измерение коорди­натных сеток на внутреннюю и наружную поверхности; сборка и наладка измерительной схемы из 200 тензорезисторов на наружной поверхности образца.

В процессе испытаний образец нагружался внутренним давлением в соответствии о указанными ниже циклами.

Первый — для уплотнения многослойной стенки с тензометрией при 0 - 2,5 - 4,5 — 6,5 — 7,5 — 8,5 — 9,5 — 11,0 - 0 МПа.

Второй — для уплотнения многослойной стенки с тензометрией при О - 11,0 - 13,0 — 13,5 - 14,0 - 14,5 - 0 МПа.

Третий — упругий с тензометрией при 0 — 4,5 — 6,5 —7,5 —

9,5 - 0 МПа.

Четвертый — пластическое деформирование и раврушение образ­ца 0 - 16,2 - 0 - 16,7 МПа.

На всех этапах нагружения образца изучался характер измене­ния плотности многослойной стенки путем измерения давления в меж - слойном пространстве. При давлениях, вызывающих текучесть мате­риала многослойной стенки, измерялись пластические деформации на­ружного слоя. Образец был разрушен при давлении 16,7 МПа, что на 4 % меньше расчетного значения для эквивалентной однослой­ной оболочки. Разрушение произошло вдоль нахлесточного шва по внутреннему слою средней обечайки. Характер разрушения вязкий.

Анализ результатов испытания показал следующее.

1. Деформирование многослойной оболочки при упругопластиче­ском (первом) нагружении в кольцевом сечении отличается значи­тельной неоднородностью (рис. 2, а). Источником неоднородности деформирования были участки, прилегающие к началу и концу на­вивки. Максимальные деформации, превышающие средние в 1,7 раза при Р = 7,5 МПа и в 2,7 раза при Р = 14,5 МПа, наблюдались вблизи нахлесточного шва в конце навивки. В месте, прилегающем к началу навивки в результате изгиба оболочкч на наружной поверх­ности, наблюдалась деформация сжатия. Очоаидио, изгиб произошел в результате калибровки оболочки.

2. Деформирование многослойной оболочки в кольцевом сечении при упругом (втором) нагружении более однородно (рис. 2, б). Наи­большие деформации также наблюдались в области, прилегающей к концу навивки, но были лишь в 1,2 раза больше средних при давлении

7,5 и 9,5 МПа. Деформация сжатия не отмечена. Нахлест при всех циклах нагружения с тензометрией деформировался как и остальная оболочка. На небольшом участке длиной не более 50 мм, приле­гающем к концу навивки, наблюдались уменьшенные деформации.

3. Деформирование многослойной оболочки вдоль образующей при первом нагружении было также неоднородно, особенно при дав­лении 14,5 МПа, вызывающем текучесть стенки. Эта неоднородность, по-видимому, обусловлена местными неплотностями под наружным слоем многослойной стенки. При повторном нагружении она значи­тельно уменьшилась. Влияние днища на напряженно-деформирован­ное состояние цилиндрической стенки наблюдалось на длине не более 150—200 мм. Кольцевой шов и многослойная стенка деформиро­вались одновременно. Типичное для рулонированных сосудов де­формирование многослойной стенки около кольцевого шва не наблю­далось.

4. В связи с наличием нахлеста отмечено неоднородное пласти­ческое деформирование по окружности многослойной оболочки (рис. 3). Наибольшие деформации наблюдались на участках длиной 100—200 мм, прилегающих к нахлесточным швам. На внутренней поверхности пластические деформации были больше, чем на наруж­ной. На участках нахлеста, прилегающих к нахлесточным швам, обнаружены повышенные пластические деформации, на остальных — аногослойная оболочка деформировалась равномерно.

Пластическое деформирование многослойной оболочки вдоль об­разующей в средней части образца происходило однородно. Сварные швы деформировались одновременно с многослойной стенкой. Крае­вой эффект от днища увеличился и наблюдался на длине около 600 мм.

5. Упругопластическое деформирование многослойной оболочки при первом нагружении сопровождалось интенсивным уменьшением зазоров. Плотность стенки увеличилась в 2,2—2,6 раза. В большей степени увеличивалась плотность в обечайке, имевшей большие за­зоры. При повторном нагружении оболочки дальнейшее увеличение плотности многослойной стенки не наблюдалось. При давлениях выше

давления текучести замечен лишь незначительный рост плотности многослойной стенки.

6. Характер разрушения многослойной оболочки данной конст­рукции отличается от исследованных в [1—4]. На внутренней поверх­ности оболочки в районе, прилегающем к нахлесточному шву, наблю­даются максимальные пластические деформации. Кроме того, в этом же месте в результате калибровки оболочки сосредотачиваются растя­гивающие изгибные деформации. Все это вызвало перегрузку оболоч­ки в этом месте, которое привело к разрушению.

Как следует из сказанного выше, принятые конструктивные и технологические решения обеспечивают прочность многослойной рулонированной оболочки на уровне расчетной. Выявлен специфиче­ский характер деформирования пятислойной рулонированной обо­лочки, не имеющей центральной трубы.