Содержание к диссертации
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 оболочек и многослойные сосуды высокого давления. І&
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 ^9
2.5. экспериментальное определение несущей способности моделей и сосудов спирально-рулонной конструкции S7
ГЛАВА 3. Напряженное состояние сосудов спирально-рулонной конструкции
3.1. Аналитическое определение упругих характеристик спирального слоя етр,
3.2. Расчет напряженного состояния спирально-рулонного сосуда как анизотропного цилиндра
3.3. Аппроксимирующая функция сближения контактирующих поверхностей листового проката
3.4. Анализ результатов числовых расчетов напря -женного состояния спирально-рулонных сосудов 95
ГЛАВА 4. Исследование свойств спирально-рулонной навивки на образцах
4-.І. Методика изготовления и испытания спирально- рулонных 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 42С
5.2. Напряженное состояние спирально-рулонных сосудов при упруго-пластических нагружениях /45
5.3. Напряженное состояние при упругих деформациях, сравнение с расчетами 4SO
ГЛАВА 6. Инженерная методика расчета спирально-рулонных сосудов
6.1. Общие положения f&9
6.2. Методика расчета элементов цилиндрической части спирально-рулонных сосудов tf3
6.3. Определение эквивалентных напряжений на внутренней поверхности сосуда **?
6.4. Расчет промышленных сосудов ST3
Заключение
Список литературы
- Контактная податливость и силы трения в составных многослойных конструкциях
- Предельная прочность спирально-рулонных сосудов с учетом сил трения
- Аппроксимирующая функция сближения контактирующих поверхностей листового проката
- Расчет напряженно-деформированного состояния спирально-рулонной навивки, сравнение с эксперименталь-ными данными
Введение к работе
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 -товой 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.
ИркутскНИИхиммашем совместно с заводом Уралхиммаш была разработана спирально-рулонная конструкция сосудов высокого давле -ни я, исключающая массивные кольцевые швы.
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 ниже стоимости аналогичного сосуда рулониро-ванной конструкции.
В ИркутскНИЙхиммаше 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 спирально-рулонной конструкции.
Работа выполнена в ИркутскНИЙхиммаше и на кафедре "Сопро -тивление материалов" МЙХМа.
Основные цели и задачи диссертации:
Теоретическое и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния сосудов высокого давления спирально-рулонной конструкции.
Теоретические и экспериментальные исследования несущей способности спирально-рулонных сосудов с учетом сил трения и различных пластических свойств материала слоев.
Теоретические и экспериментальные исследования упругих характеристик спирально-рулонной навивки, как анизотропного тела.
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 300С. 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.
Метод расчета несущей способности спирально-рулонных сосудов, учитывающий различные пластические свойства слоев и действующие между ними силы трения.
Метод расчета упругих характеристик спирально-рулонных слоев в зависимости от сил трения и контактного давления.
Метод расчета напряженного состояния спирально-рулонного сосуда как толстостенной анизотропной оболочки с учетом контактной податливости.
Новый вид функции контактной податливости, более точно описывающей физическую сущность процесса контакта слоев под нагрузкой в многослойных системах.
Упрощенная инженерная методика расчета несущей способности и напряженного состояния спирально-рулонных сосудов, разра- 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 ИркутскНИИхиммаша и кафедры "Сопротивление материалов" МИХМа за оказанную помощь при выполнении работы.
Контактная податливость и силы трения в составных многослойных конструкциях
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.Й.Либиной /9/ и С.А.Вильница /13/. Авторы этих работ исходили из предпосылок, что радиальные перемещения постоянны 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 слоев. 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 , 89,90,93/ 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 Бордмана /82/: где А - предельное давление, ( - предел прочности материала, &п - толстостенность сосуда.
В работах /81,86,87,88,9V 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.
Это 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.
Предельная прочность спирально-рулонных сосудов с учетом сил трения
Сопос - » тавление результатов испытаний с расчетными данными показывает, что пренебрежение силами трения приводит к уменьшению расчет -ных предельных давлений испытанных моделей и сосудов по сравнению с их фактическими величинами давлений разрушения. Экспери -ментальные модели и сосуды, которые должны были разрушиться от осевых сил, на самом деле разрушились от кольцевых напряжений при давлениях значительно превышающих расчетные. Отсюда становится очевидной необходимость учета сил трения при определении несущей способности спирально-рулонных сосудов.
Роль сил трения в многослойных сосудах без кольцевых швов покажем на примере идеализированного многослойного сосуда, в котором все осевые силы от внутреннего давления воспринимаются силами трения. Сосуд, показанный на рис. 2.5, выдерживает осевую силу jtZ0 Р за счет сил трения, действующих на длине z. .
Как известно, силы трения равны произведению нормальной силы на коэффициент трения. Нормальными силами здесь являются радиальные напряжения Принципиальная возможность использования соединений на силах трения в многослойных сосудах высокого давления была показана испытаниями специальной модели. На рис.2.6 показаны схема навивки и многослойная стенка экспериментальной модели.
Корпус модели изготавливался одновременной навивкой на центральную обечайку двух, не сваренных между собой полотнищ шириной 640 и 870 мм. При намотке полотнища перекрывались в каждом слое на величину 230 мм. Модель имела следующие размеры: наружный диаметр, мм 376 внутренний диаметр, мм 298 толщина центральной обечайки, мм 4 толщина слоев, мм 1,5 толщина стенки, мм 34
Давление разрушения модели , определенное без учета сил трения, составило 1Ша. Однако, разрушение ее произошло при давлении 71МПа от действия кольцевых сил и сопровождалось образованием трещины вдоль образующей цилиндра. Следует отметить, что разрушающее давление рассматриваемой многослойной оболочки составило Эв% от давления разрушения однослойного сосуда тех же параметров. Результаты эксперимента подтверждают предположение о том, что в многослойных спирально-рулонных конструкциях силы трения воспринимают значительную часть осевой нагрузки.
Величина сил трения в многослойной стенке спирально-рулонного сосуда зависит от характера относительного смещения слоев. Возможны две схемы смещения слоев друг относительно друга - поворот и поступательное смещение /32/.
Рассмотрим развертку двух слоев навивки, разрезанную по образующей 1-І (рис.2.7) и будем предполагать, что соседние витки не связаны между собой. Из рисунка видно, что характер разрезов развертки повторяется через каждый шаг , поэтому достаточно рассмотреть работу сил трения лишь на участке АВСД. Если скрепить два слоя по линиям АД и ВС (как это делается при изготовлении на концах навивки) и приложить осевую силу, то участок АВСД начнет расходиться по линиям АС и ВД. При этом скольжение одного слоя по другому будет происходить по поверхностям АОВ и ДОС. Силы трения, возникающие на этих поверхностях, должны уравновесить осевую силу. Сравнивая схемы на рис. 2.5 и 2.7, видим, что площадь по -верхности, на которой действуют силы трения в спирально-рулонной навивке, в два раза меньше соответствующей площади идеализированного сосуда и суммарная сила трения запишется в виде
Аппроксимирующая функция сближения контактирующих поверхностей листового проката
Средний предел прочности материала многослойной стенки, рассчитанный по формуле (2.29) составляет 792МПа, а расчетная величина разрушающего давления соответствовала 140МПа. Уточненный предел прочности, определенный по формуле (2.33) - 717МПа, а разрушающее давление 127МПа. Модель разрушилась при давлении 124МПа.
Разница между экспериментально установленной величиной разрушающего давления и величинами, рассчитанными с учетом и без учета пластических свойств слоев составили соответственно 2,5% и 12,9%. Результаты эксперимента показывают, что при определении несущей способности многослойных оболочек необходимо учитывать пластические свойства материала слоев.
Как было показано выше, прочность спирально-рулонных сосудов в значительной мере зависит от сил трения,возникающих между слоями. Отсюда следует, что при расчете сосудов на прочность необходимо знать величину коэффициента трения для применяемых материалов.
Взаимодействие твердых тел при трении, в современном представлении /31/, происходит в некотором объеме материала, наделенном упруго-вязкими свойствами. Этот объем рассматри -вается как "третье тело", на свойства которого оказывает влияние контактное давление, шероховатость поверхности, сте -пень загрязненности и т.д.
В многослойной стенке сосуда, находящегося под действием внутреннего давления, радиальное напряжение (нормальная нагрузка на слои) меняется в пределах от величины, равной внутреннему давлению, до нуля. Поверхность проката, из которого наматываются слои, обычно покрыта окисными пленками (окалиной). Поэтому возникает задача определения коэффициента трения f ъ условиях максимально приближенных к реальным условиям работы слоев в многослойной стенке сосуда. С этой целью были проведены экспериментальные исследования статического коэффициента трения для образцов, изготовленных из стали І0Г2СІ, в зависи -мости от величины контактного давления и степени предварительного обжатия контактирующих поверхностей более высоким контактным давлением. Кроме того, исследовалось влияние на коэффициент трения различных покрытий на поверхностях контакта. Исследования проводились на специальной установке, смонтированной на разрывной машине УММ-ІО. Установка состоит из приспособления (рис.2,12) для создания необходимого усилия сжатия многослойного пакета 6 , червячного редуктора 9 и электромеханического привода 10. Приспособление, червячный редуктор и электромеханический привод смонтированы на силовой раме I, находящейся в направляющих 15, которые крепятся хомутами 16 на колоннах разрывной машины между нижним захватом 14 и подвижной травер -сой 13. Многослойный образец б устанавливается между подвижным нажимным 7 и опорным штоком 4 приспособления.
Подвижный шток 7 и вал червячного колеса 8 редуктора 9 представляют собой винтовую пару. На конце вала 8 выполнена наружная и внутренняя резьба с разностью шага в 0,5 мм. Опорный шток сфе-рической частью опирается в измерительную балку 3. Измерительная балка концами помещается в стойках 12, которые закреплены на силовой раме. С другой стороны к центру измерительной балки подведен шток индикатора 2. С помощью индикатора измеряется прогиб балки, соответствующий усилию сжатия многослойного пакета (образца). Образец в оборе состоит из пяти пластин с четырьмя контактирующими поверхностями. Нижняя часть образца закрепляется вилкой II на нижнем захвате разрывной машины и относительно подвижного и опорного штоков остается неподвижной. Верхняя часть образца крепится вилкой 5 в захвате подвижной траверсы.
Для центровки образца относительно линии действия сжимающих сил, силовая рама передвигается по направляющим в горизонталь -ном направлении. Максимальное усилие сжатия, действующее на образец - 70000н, при скорости перемещения подвижного штока 0,004 м/сек. По достижении необходимого усилия сжатия включается разрывная машина и верхняя часть образца смещается относительно нижней. По шкале разрывной машины измеряется величина силы, при которой начинается смещение.
Расчет напряженно-деформированного состояния спирально-рулонной навивки, сравнение с эксперименталь-ными данными
Как показано в таблице модель № 2 и сосуд № 4 разрушились от осевых сил, а сосуд с боковыми вводами по одному из вводов.
Остальные модели и сосуды разрушились с появлением трещин вдоль образующей цилиндров, то есть от действия кольцевых нап ряжений. При известной величине предельного давления модели № 2 и сосуда № 4 по формуле (2.21) была определена величина коэфр циента "а". Коэффициент "а",учитывающий неплотность прилегания слоев в момент разрушения составил 0,78 для модели № 2 и 0,75 для сосуда № 4. Это свидетельствует о том, что у модели с углом навивки 4,2 стенка была изготовлена более плотно, чем у сосу да при тС =9. Разрушение сосуда № 4 произошло при дав лении 116 МПа, как и предполагалось, по кольцевому шву централь ной обечайки. Сваренные слои разрушились в той же зоне по спи ральным швам. Результаты разрушения этого сосуда показали, что при практических расчетах предельного давления необходимо учиты вать характеристики прочности как основного металла так и сварных швов.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследовании несущей способности сосудов и моделей спирально-рулон -ной конструкции показал их хорошее согласование. В самом неблагоприятном случае разница в величинах предельных давлений не превышает 7%,
Таким образом, разработанная методика расчета несущей спо -собности спирально-рулонных сосудов высокого давления позволяет определить величины предельных давлении из условия осевой и кольцевой прочности.
Прочность спирально-рулонных сосудов в осевом направлении определяется толстостенностью центральной обечайки, числом слоев, углом навивки и коэффициентом трения.
Как отмечалось выше, многослойные оболочки представляют собой анизотропные системы. Поэтому для расчета напряженного состояния спирально-рулонных сосудов необходимо определить упругие характеристики навивки.
Упругие характеристики слоев спирально-рулонной оболочки (рис. 2.2) зависят от величины их возможного проскальзывания,коэффициента трения и контактных давлений, не постоянных по толщине стенки.
Отсюда следует, что упругие характеристики спиральных слоев не равны между собой. Представим каждый спиральный слой состоящим из анизотропного материала, имеющего модули упругости ±) Е% } Еч соответственно в кольцевом, осевом и радиальном направлениях и коэффициен -ты поперечной деформации М.1 , где t Jsz Z,
Здесь и далее верхний индекс у коэффициента JU показывает направление деформирования, нижний - направление действия силы.
Выразим упругие характеристики спирального слоя через упругие характеристики навитой стальной полосы, главные направления: упругости которой совпадают с осями координат 1,2,3. Координатная ось I перпендикулярна направлению навивки полосы, ось 2 направлена вдоль навивки, ось 3 совпадает с радиальной осью
Похожие диссертации на Напряженное состояние и прочность сосудов высокого давления спирально-рулонной конструкции
