МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ПРОЧНОСТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СОСУДОВ

Многослойная конструкция сосудов давления получила в послед­нее время всеобщее признание. Совместная работа завода Урал­химмаш, ИркутскНИИхиммаша и ИЭС им Е. О. Патона АН УССР по созданию и внедрению в промышленность экономичной, техноло­гичной и надежной рулонированной конструкции была удостоена Государственной премии СССР за 1976 г.

В статье описаны прочностные исследования многослойных со­судов, проведенные в ИркутскНИИхиммаше.

Исследованиями прочности многослойных сосудов в институте начали заниматься в начале 50-х годов в связи с испытаниями витых (оплеточных) сосудов высокого давления, изготовленных навивкой узкой (80 мм) профильной ленты па центральную трубу [1—3].

В 60-х годах в связи с необходимостью освоения серийного про­изводства сосудов давления проводятся систематические прочност­
ные исследования сосудов различ­ных конструкций. Испытания до разрушения нескольких ковано - и штампосварных сосудов подтвер­дили справедливость расчетной формулы, применяемой для оцен­ки разрушающего давления, одна­ко разрушение сосудов с монолит­ной стенкой носит хрупкий, оско­лочный характер.

Испытания многослойных со­судов показали [41, что прочность Рис - 1- Разрушение многослойного их выше или равна прочности од - сосУДа - нослойных сосудов, а разрушение

носит пластичный характер (рис. l)f а напряженное состояние имеет ряд особенностей (рис. 2). По отработанной в процессе исследо­вания методике [5] было испытано 30 многослойных сосудов диамет­ром 500—1000 мм различных по конструкции и материалам. Резуль­таты исследований позволили сделать вывод о решающем влиянии контактной податливости [6] и плотности прилегания слоев на на­пряженное состояние многослойных сосудов. Впервые с учетом кон­тактной податливости были разработаны методики расчета напря­жений в многослойной стенке [7, 8], в том числе выполненной с на­тягом [9], и в зоне кольцевого шва, соединяющего две многослойные обечайки [10, 11]. Полученные результаты были обобщены в работе [12]. Поскольку при первичном нагружении внутренним давлением в некоторых слоях возникают пластические деформации, то были разработаны методики расчета напряженно-деформированного со­стояния многослойной стенки [13, 14] и кольцевого шва [15] при

упругопластической работе. Особое вни­мание уделялось исследованию и рас­чету величины остаточных сварочных напряжений, возникающих в кольце­вых швах в результате опрессовки тех­нологическим давлением [16, 17]. Раз­работанные методы расчета позволяют оценить величину сварочных напряже­ний, возникающих в кольцевом шве в процессе сварки [18], и подобрать необ­ходимую величину предварительной пе­регрузки сосуда для снижения уровня остаточных напряжений [19].

Тепловые испытания многослойных сосудов показали, что перепад темпера­туры по толщине стенки в многослойных сосудах больше, чем в однослойных, вследствие особенностей контактного теплообмена на поверхностях соприкосновения слоев [20]. В результа­те экспериментальных исследований была установлена нелинейная зависимость контактных температурных сопротивлений в многослой­ном пакете от контактного давления [21]. На основе полученных зависимостей разработаны методы расчета теплового поля и темпе­ратурных напряжений в многослойном цилиндре [22, 23] и в зоне кольцевого шва [24]. Описано качественно новое явление — зави­симость поля температур от напряженного состояния многослойной стенки и, в частности, перепада температуры по толщине стенки от внутреннего давления (рис. 3). С учетом контактной теплопроводно­сти решена также задача нахождения нестационарного температур­ного поля при внутреннем и наружном обогреве [25]. Теоретические расчеты проверялись экспериментами на малых моделях [26], в том числе тепловыми испытаниями в специальном защитном кожухе. В настоящее время институт располагает защитным сосудом объемом 8 м3, рассчитанным на пневматическое разрушение в нем эксперимен­тальных сосудов.

Отметим, что постановка технической задачи сопряжения слоев в многослойной оболочке послужила толчком для разработки и обос - ногания принципиально нового метода решения широкого класса задач механики [27], который был с успехом применен для расчета состояния многослойной оболочки [28].

Особое внимание уделялось изучению особенностей напряжен­ного состояния многослойных сосудов рулонированной конструкции. Теоретические и экспериментальные исследования выявили большую роль сил трения в этой конструкции [29] и, как следствие, особую важность плотного прилегания слоев. Был разработан простой и эффективный метод оценки плотности навивки, который внедрен в промышленном производстве сосудов [30]. Экспериментальные исследования распределения напряжений по слоям [31, 321 послу­жили основой для разработки теоретического расчета напряженно­
го состояния рулонированной оболочки под действием внутреннего давления при малом значении коэффициента трения [33]. В ре­зультате обобщения теоретических расчетов и экспериментальных исследований в работе [34] сделан вывод об эквивалентности напря­женного состояния плотно изготовленных рулонированных сосудов с концентрическими слоями.

Большая работа проводилась по исследованию напряженного состояния и прочности боковых вводов в многослойную стенку. Тен - аометрическими исследованиями и испытаниями до разрушения пяти сосудов диаметром 600 мм с боковыми вводами диаметром до 200 мм и шести моделей диаметром 300 мм была обоснована работо­способность боковых вводов в многослойную стенку [35]. Анало­гичные исследования проводились на двух многослойных сосудах^ полученных методом гильзования [36].

Область применения многослойных конструкций расширяется. Прочностные исследования девяти многослойных днищ диаметром 500—800 мм показали их высокую прочность [37]. На основании ис­следований разработаны нормы конструирования и получены по­ложительные результаты при испытании многослойных фланцев [38].

На основании проведенных исследований были предложены новые конструкции различных узлов рулонированных сосудов, обеспечи­вающих повышение их прочности и снижение перепада температур по толщине стенки.

1В настоящее время в институте интенсивно разрабатывается но­вая спирально-рулонная конструкция многослойных сосудов, вы­годно сочетающая достоинства рулонированной конструкции, но не требующая кольцевых швов по всей толщине стенки [39]. Полу­чено теоретическое и экспериментальное обоснование работоспособ­ности и прочности сосудов спирально-рулонной конструкции [40].

Разработка методов расчета напряженного состояния и их эк­спериментальное обоснование направлены на дальнейшее расшире­ние области применения многослойных конструкций.