Малоцикловая прочность компенсирующих элементов трубопроводов с винтовыми и кольцевыми гофрами

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧ- ........................... 21
НОСТИ И ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОНАГРУ-
ЖЕННЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
1Л Особенности конструкций и условий эксплуатации тонкостенных ......... 21
гофрированных компенсирующих элементов трубопроводов, используемых в современном машиностроении
1Л Л Гибкие металлические рукава 24
1Л.2 Сильфонные компенсаторы 29
1Л.З Самокомпенсируюшиеся трубы 33
1.2 Современное состояние проблемы малоцикловой прочности мате- ......... 35
риалов и элементов конструкций
1.3 Методы оптимального проектирования ответственных элементов .......... 41
конструкций и деталей машин
1.4 Обзор методов расчетно-экспериментальной оценки малоцикловой ........ 48
прочности и оптимального проектирования компенсирующих элементов трубопроводов
1.5 Постановки задач теоретическою, экспериментального и численно- ...... 55
го исследований
2 СОЗДАНИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕ- ............................ 59
СУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОБОЛОЧЕК КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ С ВИНТОВЫМИ И КОЛЬЦЕВЫМИ ГОФРАМИ ПРИ 1ДИКЛИЧЕСКОМ НЕУПРУГОМ НАГРУЖЕНИИ
2.1 Уравнения состояния конструкционного материала гофрированных ........ 59
оболочек в условиях эксплуатации
2.2 Критерии потери несущей способности при малоцикловом и дли- ......... 66
тельном малоцикловом нагружении
2.2.1 Деформационно-кинетические критерии малоцикловой 66
прочности
2.2.2 Аналитический вывод критериального уравнения для уело- ......... 68
вий длительного малоциклового нагружения
2.3 Основные гипотезы и положения по выводу систем дифференци- .......... 75
альных уравнений, определяющих НДС физически нелинейных
3
гофрированных оболочек с винтовыми и кольцевыми гофрами при циклическом нагружении
2.3.1 Определение геометрических характеристик оболочки вин- ............ 76
тообразной формы
2.3.2 Уравнения равновесия элемента оболочки 78
2.3.3 Связь деформаций и перемещений точек основной поверх- ............. 80
носги
2.3.4 Соотношения связи напряжений и деформаций за пределами ............ 81
упругости
2.4 Расчетно-экспериментальные особенности решения 85
сформулированной задачи
2.5 Основные положения теории многокритериальной оптимизации ................. 94
применительно к задаче проектирования компенсирующих элементов сложной геометрической формы
2.6 Вопросы автоматизации расчетных исследований и концепция бан- ........... 101
ка данных по механическим характеристикам конструкционных материалов
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО- ................................... 106
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И РЕСУРСА ГОФРИРОВАННЫХ ОБОЛОЧЕЧ11ЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ВИНТОВОЙ И ОСЕВОЙ СИММЕТРИЕЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
3.1 Разрешающая система дифференциальных уравнений 106
3.1.1 Вывод системы дифференциальных уравнений ...... 106
3.1.2 Приведение системы дифференциальных уравнений к нор- ........... 108
мальному виду
3.1.3 Решение системы дифференциальных уравнений 113
3.2 Возможные виды граничных условий (закреплений) 116
3.3 Метод учета влияния технологического упрочнения на НДС и ма- ........... 119
лоцикловую долговечность компенсирующих элементов
3.3.1 Учет упрочнения на стадии расчета НДС 119
3.3.2 Учет упрочнения на стадии расчета циклической долговеч- .......... 122
ности
3.4 Алгоритм решения задачи по определению малоцикловой долго- ........... 123
вечности гофрированных оболочек с винтовым гофром
3.5 Вопросы точности разработанною метода 126
4
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСНОВ- ........................ 130
НЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
4.1 Экспериментальное получение диаграмм деформирования конст- ......... 130
рукционных материалов СК и ГМР
4.2 Результаты экспериментального определения кривых усталости и ....... 134
значений предельной пластичности материалов СК и ГМР в широком диапазоне температур
4.3 Данные исследования малоцикловых характеристик материалов ......... 138
самокомпенсирующихся труб
4.4 Реализация концепции, алгоритмов и программ по автоматизиро- ...... 154
ванному банку данных расчетных характеристик конструкционных материалов
5 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВА- ........................ 165
ПИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ С ВИНТОВЫМИ ГОФРАМИ
5.1 Методика проведения экспериментального исследования и обра- ....... 165
ботки результатов
5.1.1 Экспериментальные образцы 165
5.1.2 Экспериментальная установка 165
5.1.3 Проведение испытаний и результаты 168
5.2 Основные особенности НДС оболочек с винтовым гофром при ма- ....... 168
лоцикловом нагружении. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений долговечности
5.3 Влияние угла подъема гофра на НДС и МП гофрированной оболоч- .... 174
ки
5
6 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАН- ....................... 180
НОГО СОСТОЯНИЯ И МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПЕНСАТОРОВ И МЕТ АЛЛОРУКАВОВ С ВИНТОВЫМИ И КОЛЬЦЕВЫМИ ГОФРМИ В СВЯЗИ С КОНСТРУКТИВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ,
УСЛОВИЯМИ НАГРУЖЕНИЯ, МЕХАНИЧЕСКИМ ПОВЕДЕНИЕМ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬЮ
6.1 Численный анализ влияния конструктивных факторов 180
6.2 Исследование влияния граничных закреплений 183
6.2.1 Виды граничных условий 183
6.2.2 Конструктивные особенности краевых закреплений 185
6.3 Результаты исследования влияния на НДС и МП технологического 185
упрочнения и способа изготовления оболочек компенсаторов и ме-таллорукавов
6.4 Данные расчетного исследования влияния механических характе- .... 193
ристик конструкционных материалов на сопротивление циклическому деформированию и разрушению компенсирующих элементов
6.5 Результаты исследования зависимости НДС и МП от условий экс- ..... 195
плуатации компенсирующих устройств
7 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛОРУ- ....................... 207
КАВОВ И КОМПЕНСАТОРОВ И РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИХ ПРИМЕНИМОСТИ
7.1 Выбор формы гофра сильфонных компенсаторов и металлорукавов ...... 207
для заданных условий эксплуатации и обеспечения требуемого ресурса
7.2 Многослойносгь как один из факторов повышения сопротивления ...... 216
компенсаторов высокому давлению и малоцикловому нагружению.
7.3 Использование бронирующих колец и гибких оплеток для повыше- ..... 225
ния несущей способности металлорукавов и компенсаторов
7.4 Технологические методы повышения несущей способности 237
8 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯ- ........................ 242
ЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ САМОКОМПЕНСИРУЮЩИХСЯ ТРУБ
8.1 Исследование условий эксплуатации самокомпенсирующихся труб ..... 242
6
8.2 Экспериментальное исследование НДС и малоцикловой прочности ........... 244
самокомпенсирующихся труб при переменном внутреннем давлении
8.2.1 Оборудование и методика экспериментального исследова- .......... 244
ния
8.2.2 Результаты исследования 247
8.3 Экспериментальное исследование НДС и малоцикловой прочности ........... 253
самокомпенсирующихся труб при переменном осевом перемещении, имитирующем действие нагрева
8.3.1 Оборудование, тензодатчики, и методика экспериментально- ....... 253
го исследования
8.3.2 Результаты исследования 259
8.4 Результаты численного решения задачи о НДС СКТ в оболочечной ......... 264
постановке
8.5 Инженерный метод оценки НДС и ресурса СКТ 267
8.5.1 Порядок расчета ресурса СКТ 267
8.5.2 Оценка ресурса СКТ, работающих в составе теплотрасс 274
8.5.3 Оценка ресурса СКТ, работающих в режиме "горячих" неф- .......... 276
тепроводов
9 ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕ- .............................. 282
МЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДХОДОВ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
9.1 Алгоритм многокритериальной оптимизации ГО СК и ГМР 282
9.2 Результаты решения задачи оптимального проектирования ГО СК с ........ 284
использованием двух критериев качества
9.3 Результаты решения задачи оптимального проектирования ГО СК с ........ 287
использованием шести критериев качества
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ 300
ВЫВОДЫ 308
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 312
ПРИЛОЖЕНИЕ 335
Справки о внедрении 335
7
ВВЕДЕНИЕ
Безопасность, надежность и ресурс изделий современного машиностроения в значительной степени определяются качеством проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта трубопроводных систем и их отдельных элементов, являющихся неотъемлемой частью большинства машин и агрегатов.
Одной из проблем, с которой приходится сталкиваться разработчикам и производителям трубопроводных систем различного назначения, особенно предназначенным для эксплуатации при повышенных, высоких и низких температурах, является проблема нейтрализации теплового расширения или сужения элементов данных систем, влияющего на функциональные показатели эксплуатации. Кроме того, для трубопроводов актуальными являются проблемы уменьшения вибраций и шума, компенсации силовых и кинематических нагрузок, повышения удобства монтажа, уменьшения монтажных усилий и т.д.
Многолетний отечественный и зарубежный опыт производства и эксплуатации компенсирующих устройств в авиакосмическом, транспортном, нефтегазохимическом, энергетическом, тяжелом и др. отраслях современного машиностроения показывает, что наиболее эффективно указанные выше проблемы можно решить с помощью применения компенсирующих элементов на основе гофрированных оболочек (ГО), таких как гибкие металлические рукава (ГМР), силь-фонные компенсаторы (СК), самокомпенсирующиеся трубы (СКТ).
Современные компенсирующие устройства представляют собой, как правило, сложные изделия, требующие при разработке конструкции проведения масштабных научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и внедрения новейших технологий. Основными критериями, по которым определяется работоспособность данных элементов, являются критерии прочности при статическом, повторно-статическом, малоцикловом и вибрационном нагружениях. В связи с этим, создание современных и перспективных конструкций компенсирующих устройств должно производится на основе прочностных исследований, основная задача которых заключается в подборе геометрии и оптимальных соотношений размеров, обеспечивающих максимальное сопротивление действующим на изделия эксплуатационным нагружающим факторам. Прочностные исследования необходимы, также, для выбора конструкционных материалов с оптимальными технологическими свойствами и характеризующихся достаточным сопротивлением наг ружающим факторам в широком диапазоне температур. Результатом комплексных экспериментально-теоретических прочностных исследований является создание адекватных методов расчета и проектирования, учитывающих основной спектр особенностей конструкции и эксплуатации данных изделий.
8
Как показал анализ многочисленных источников, типичными условия эксплуатации рассматриваемых компенсирующих элементов являются условия переменного воздействия нагружающих факторов (в основном циклическое взаимное смещение торцев). В ряде случаев компенсирующие элементы трубопроводов эксплуатируются в условиях воздействия высоких температур, стимулирующих реологические процессы в конструкционных материалах. При этом, исходя из соображений экономии материала и снижения массы изделий, в ряде отраслей промышленности допускается наличие в некоторых зонах гофрированных оболочек пластических деформаций. Сказанное приводит к тому, что количество циклов нагружения за время эксплуатации данной оболочки до момента потери несущей способности, соответствует диапазону ма-лоцикловой усталости. Таким образом, для создания адекватных методов расчета и проектирования компенсирующих элементов трубопроводов, необходимо проведение комплексных исследований, характерных для изделий, эксплуатирующихся в условиях длительного неупругого переменного нагружения.
Объекты исследования настоящей работы: проблемы прочности и долговечности конструкционных материалов, элементов конструкций и деталей машин при малоцикловом нагружении, а также вопросы многокритериальной оптимизации гофрированных оболочечных элементов.
Предмет исследования: класс компенсирующих элементов трубопроводов, созданных с использованием гофрированных оболочек с винтовыми и кольцевыми гофрами.
Основная научная цель исследования:
установление основных закономерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению (до момента возникновения усталостных трещин) гофрированных оболочек с винтовыми и кольцевыми гофрами с учетом нелинейного поведения материала, реальной геометрии, особенности конструкции, условий эксплуатации и технологической наследственности на основе разработанных расчетно-экспериментальных методов исследования, исследование зависимостей наилучших потребительских свойств гофрированных оболочек от конструктивных параметров по критериям многокритериальной оптимизации с использованием соответствующего пакета прикладных программ, выдача рекомендаций и внедрение разработанных численных методов в заинтересованных научных и производственных организациях.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
а) созданы научные основы методов обеспечения несущей способности оболочек компенсирующих элементов трубопроводов с ВГ и КГ при циклическом неупругом нагружении;
б) разработан метод исследования НДС, прочности и долговечности ГО с осевой и винтовой симметрией при малоцикловом нагружении в рамках физически нелинейной теории тонких оболочек;
9
в) разработаны методики, приборы, аппаратура и проведены экспериментальные исследования с целью получения характеристик НДС, прочности и долговечности, а также базовых расчетных характеристик конструкционных материалов компенсирующих элементов трубопроводов;
г) разработан метод оптимального проектирования с использованием подходов многокритериальной оптимизации для создания оболочечных компенсирующих конструкций с КГ и ВГ по требуемым критериям прочности, долговечности, устойчивости, жесткости и массе;
д) проведено исследование НДС и малоцикловой прочности ГО с ВГ и КГ в связи с конструктивными факторами, условиями нагружения, механическим поведением консгрукционных материалов и технологической наследственностью;
е) выполнено расчетно-экспериментальное обоснование применимости методов повышения несущей способности ГМР и СК;
ж) проведено экспериментально-расчетное исследование НДС и малоцикловой прочности (МП) СКТ;
з) проведено численное исследование и определение оптимальных типоразмеров СК с использованием подходов многокритериальной оптимизации;
и) выполнено использование результатов проведенных расчетно-экспериментальных исследований для обоснования рекомендаций по повышению несущей способности ГО.
Для решения данных задач использованы экспериментальные (испытание образцов конструкционных материалов при статическом и циклическом неупругом нагружениях, испытание натурных конструкций в реальных и модельных условиях нагружения с проведением тензомет-рирования), теоретические (вывод разрешающей системы дифференциальных уравнений, определяющей НДС ГО при циклическом неупругом нагружении, доказательство возможности представления деформационно-кинетического критерия в двучленной форме) и численные методы (исследование НДС и МП ГО с ВГ и КГ в связи с конструктивными, эксплуатационными и технологическими факторами, исследование конструкций СК с применением методов многокритериальной оптимизации).
Актуальность исследования определяется требованиями технических наук и современного машиностроения по созданию адекватных методов оценки прочности, ресурса, оптимального проектирования гофрированных оболочек современных компенсирующих устройств с винтовыми и кольцевыми гофрами, позволяющих учитывать весь спектр конструктивных, эксплуатационных и технологических факторов, и недостаточной проработкой таких методов в настоящее время. Актуальность подтверждается необходимостью обеспечения высокой надежности и ресурса, предъявляемыми в авиации, атомной энергетике, ракетно-космической технике и в др. отраслях машиностроения к конструкциям компенсирующих элементов, а также растущим с
10
каждым годом количеством выпускаемых и востребованных во всем мире изделий с использованием гофрированных оболочек.
Актуальность диссертационной работы подтверждена включением отдельных ее фрагментов в планы фундаментальных исследований РАН (темы 25-87, 22-91, 2-96, 2-2001) и планы прикладных исследований МНТК «Надежность машин». Кроме того, подтверждением актуальности данной научно-исследовательской работы, ее результатов и рекомендаций являются многочисленные договора и контракты, заключенные и выполненные под научным руководством авторас различными предприятиями на разработку методов оценки и проведения исследований малоцикловой прочности гофрированных оболочек.
Методологическую и теоретическую основы настоящего исследования составили труды отечественных и зарубежных ученых в области машиностроения и машиноведения (Е.А.Чудаков, А.А.Благонравов, И.И. Артоболевский, К.В.Фролов, В.В.Болотин и др.), исследования деформирования и разрушения твердых тел в условиях иеупругого переменного нагружения (С.В.Сервисен, Ю.Н.Работнов, В.В.Москвитин, А.П.Гусенков, Н А.Махутов,
Е.М.Морозов, В.П.Когаев, Р.М.Шнейдерович, Ю.Н.Шевченко, АН.Романов, Ю.Г.Коротких, В.В.Ларионов, А.А.Попов, В.Langer, L.Coffin и др.), теории оболочек (Э.И.Г'риголюк, Е В.Новожилов, П.М.Огибалов, И.А.Биргер, А.В.Кармишин, Я М.Григоренко, Э.Л.Аксельрад и др.), оптимального проектирования (Р.Б.Статников, В.В.Васильев, В.Г.Малков, И.М.Соболь, Э.Л. Айрапетов и др.).
Информационную базу исследования составили научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров, официальные документы, а также материалы, полученные с использованием современных информационных технологий, в том числе с применением глобальной компьютерной сети «Интернет».
Как показали изученные материалы, разработкой методов и проведением исследований в области прочности ГО занимались многие авторы. Определенное место эти исследования заняли в трудах основоположника отечественной деформационной теории пластичности А.А.Ильюшина. Исследованием статической прочности занимались Зверьков Б.В. /8/, Старцев
Н.И. /91 и др. Поведение гофрированных оболочек при динамических нагрузках изучали Кондратов Н.С. /10,11/, Латыпов Ф.Р. /12/, Светличный В.А. /13/, Карасев С.В. /14/, Итбаев В.К. /15/ и др. Исследованию общей потери устойчивости гофрированных оболочек при действии продольной силы и внутреннего давления посвящены работы Harringx I.A. /16/, Савкина Н.М. /17/ и др. Разработкой новых конструкций металлорукавов и компенсаторов, а также созданием технологий их производства занимались Брюханов А.М. /2,18/, Скуратов Б.И. /19/, Тарасьев Ю.И.
Il
/20/, Чавшино Ю Б. /21/ и др. Хорошо известны классические работы Феодосьева В.И., Андреевой Л.Е., посвященные общим вопросам расчета сильфонов /22,23/.
Исследованием малоцикловой прочности (Ш1) сильфонных компенсаторов и аналогичным им устройств занимались Величкин Н.Н. /24/, Гусенков А.П. /7, 25-27/, Лукин Б.Ю. /28-30/, Шнейдерович P.M. /31/. Гокун М.В. /32/, Карцев А.И. /33/, Луганцев Л.Д. /34/, Меерсон Б.М./34/, Ларионов В.В. /35/, Зайчик Б.М. /36/ и др. Кроме упомянутых авторов большой вклад в изучение поведения гофрированных оболочек в различных условиях на1ружения внесли также следующие исследователи. Берлянд В.И. /37/, Бегун П.И., Перлов Б.М. /38/, Беляков А Г. /39/, Валеев Ф.Ш., Меерсон М.Г. /40/, Шустов B.C., Крюков А.И. /1,2/, Хузин И.С. /41/, Глинкин И.М. /42/, Горбанснко В.М. /43/, Каменев С.И. /44/, Катор Б.Я. /45/, Сираев Э.З. /46/, Тархов Л.Н. /47/, Тархов С.В. /48/ и др. Значительный объем исследований в рассматриваемой области выполнен зарубежными исследователями /49-61/ и др. В последние годы количество работ, посвященных различным аспектам проектирования и создания гофрированных оболочек, продолжает оставаться значительным (например /62-69,207/) как в стране, так и за рубежом.
Отметим также, что вопросы прочности СКТ рассматривались в работах /70-71/, а исследованию и получению механических характеристик конструкционных материалов оболочечных конструкций посвящены работы /72-75/ и др. Разработке принципиально новых конструкций СК и ГМР посвящены работы /76,77/. Отметим, также работы /78-82/, в которых приведены различные результаты исследования НДС и прочности компенсаторов. Общим вопросам построения уравнений теории оболочек, которые могут использоваться для оценки НДС ГО, посвящены известные работы /82,83/.
Подробное изучение рассмотренных публикаций позволил сделать вывод о том, что комплексные актуальные задачи МП и оптимального проектирования ГО с ВГ и КГ решены недостаточно. Несмотря на большой объем выполненных исследований, в представленных работах не удалось создать расчетно-экспериментальных методов исследования НДС, прочности и долговечности несущих элементов ГМР, СК и СКТ, позволяющих в рамках физически нелинейной теории оболочек с учетом влияния широкого спектра повышенных и высоких температур и параметров технологической наследственности проводить расчет ГО, обладающих винтовой и осевой симметрией. Кроме того, в рассмотренных работах недостаточное внимание уделено вопросам оптимального проектирования рассматриваемых изделий, а такие перспективные методы проектирования как методы многокритериальной оптимизации отсутствуют совсем.
Научная новизна настоящего исследования заключается в том, что впервые создан метод расчета НДС, прочности и долговечности ГО с ВГ и КГ при циклическом неупругом нагружении с учетом реальных форм гофра, условий эксплуатации, механических свойств конструкционных материалов и технологической наследственности, разрабатывается метод эксперимен-
12
тального исследования НДС и малоцикловой прочности винтообразных оболочек СКТ при малоцикловом нагружении, а также метод многокритериальной оптимизации ГО СК. Впервые в рамках теории тонких физически нелинейных оболочек получена и численно решена система дифференциальных уравнений, определяющая НДС оболочек с винтовой симметрией, а метод многокритериальной оптимизации распространен на область проектирования тонкостенных оболочечных конструкций.
Практическая значимость исследования заключается в использовании основных положений и выводов диссертации, данных в ней рекомендаций в деятельности ряда научных и конструкторских организаций, занимающихся разработкой, созданием и эксплуатацией компенсирующих элементов трубопроводов. Экономическая эффективность исследования и основных выводов и положений диссертации, а также созданного пакета прикладных программ, определяться широким применением их в ряде организаций для повышения ресурса компенсирующих элементов трубопроводов, снижения их массы, научного обоснования выбора новых конструкций и технологий производства, уменьшения сроков освоения производства новых типоразмеров и повышения конкурентоспособности данных изделий на внутреннем и внешнем рынке.
Практическая значимость и экономическая эффективность результатов настоящего диссертационного исследования подтверждена получением автором в составе творческого коллектива премии Правительства РФ в области науки и техники 1997 г. за работу «Создание принципиально новых конструкций гибких металлических трубопроводов для авиа космической техники, транспортных средств и других отраслей народного хозяйства России» /76,77/. За ряд экспонатов, представленных на выставке ВДНХ-ВВЦ и посвященных методам создания перспективных конструкций ГМР и СК, автор неоднократно награждался медалями, в том числе золотой медалью «Лауреат ВВЦ» 1997 г.
Апробации результатов исследования проведена путем внедрения и использования основных положений, рекомендаций и выводов диссертации, пакета прикладных программ на ряде научных и опытно-конструкторских предприятий РФ, включая Центральное конструкторское бюро арматуростроения (ЦКБА) завода «Знамя труда» (г. Санкт-Петербург), Уральский филиал научно-исследовательского института двигателсстроения (УфНИИД), (г. Уфа), Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфимское государственное унитарное агрегатное предприятие «Гидравлика», фирму «Гибкие трубопроводы», (г. Уфа), фирму «Армнаука» и фирму «Арматура и диагностика» (все г. Санкт-Петербург).
Результаты научных исследований автора по теме диссертации отражены в 57 публикациях. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзном симпозиуме «Малоцикловое нагружение при повышенных температурах» (Челябинск, 1974 г.), на международной конференции «Малоцикловая и высокоцикловая усталость мате-
13
риалов» (ЧССР, Карловы Вары, 1978 г.), на Ш Всесоюзном симпозиуме «Малоцикловая усталость элементов конструкции» (Паланга, 1979 г.), на Fourth. International Conf. “On Pressure Vessel Technolog/’ (London, 1980), на Inter. Conf. “Engineering Aspects of creep” (Sheffild, England, 1980), на “Tagung test Korpermechanik. Sektion Grundlagen des Meschinenwesens” (Dresden, 1982, DDR), на П Всесоюзном съезде «Теория машин и механизмов» (Одесса, 1982 г.), на Всесоюзной межотраслевой научно-технической конференции «Проблемы проектирования и механизации производства гибких металлических трубопроводов и сильфонов» (Уфа, 1982 г.), на научно-техническом совещании «Научные основы механики машин, конструкций и технологических процессов» (Фрунзе, 1982 г.), на научно-технической конференции «Усталосгь материалов и конструкций» (Прага, 1984 г., ЧССР), на Всесоюзном съезде «По теоретической и прикладной механике» (Ташкент, 1986 г.), на UJ Всесоюзном семинаре молодых ученых «Актуальные проблемы механики оболочек» (Казань, 1988 г.), на Всесоюзной конференции «Проблемы снижения материалоемкости силовых конструкций» (Горький, 1989 г.), на Всесоюзном научном совещании «Проблемы прочности двигателей (Москва, 1990 г.), на ХП Всесоюзной научно-технической конференции «Конструкционная прочность двигателей» (Куйбышев, 1990 г.), на международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, 1990 г.), на “1st International Conference”, Saithanpton, UK, 1990 г., на IV Всесоюзном симпозиуме «Малоцикловая усталость -механика разрушения, живучесть и материалоемкость конструкций» (Краснодар, 1983 г.) на V Всесоюзном симпозиуме «Малоцикловая усталость - критерии разрушения и структура материалов» (Волгоград, 1987 г.), на Ш Всесоюзной конференции КАИ «Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов» (Казань, 1988 г.), на Ш Российско-Американском семинаре по проекту «Партнерство ASME- РАН», Москва, Санкт-Петербург, 1997, на II международной конференции «Безопасность трубопроводов», Москва, «Курчатовский институт», 1997 г., на международном конгрессе «Защита-98», Москва, Академия нефти и газа, 1998 г., на XXVII международном научно-техническом совещании по проблемам прочности двигателей, Москва, 1999 г., на Ломоносовских чтениях в Московском Государственном университете в 1976, 1998, 1999 и 2001 гг., на первом и втором международном форуме «Высокие технологии оборонного комплекса», г. Москва, 2000, 2001 гг., на научных семинарах ИМАШ РАН по мало- и многоцикловой усталости материалов и конструкций под руководством чл. - корр. РАН Гусенкова А.П. и проф., д.т.н. Когаева В.П., на юбилейном семинаре «60 лег ИМАШ РАН» (1998 г.) и семинаре по прочности перспективной космической техники под руководством чл. - корр. РАН Григолюка Э.И. В полном объеме диссертационная работа докладывалась на секции ученого совета отдела прочности, ресурса и безопасности ИМАШ РАН (руководитель чл. - корр. РАН Махутов H.A.).
14
Диссертационная работа структурно состоит из введения, девяти глав, заключения и рекомендаций, выводов, списка использованных источников и приложения (акты и свидетельства о внедрении). Структура диссертации представлена на рисунке.
В первой главе даны основные определения по рассматриваемому классу конструкций. Представлен обзор по областям применения, конструкциям ГМР, СК (авиация, ракетно-космическая техника, автомобильная промышленность, нефтехимическое и газовое машиностроение, судостроение), СКТ (теплотрассы, «горячие» трубопроводы) и условиям их эксплуатации с точки зрения создания адекватных методов прочностного исследования. Дана информация по отечественным и зарубежным предприятиям, занимающимся созданием и выпуском изделий на базе ГО. Приведен обзор некоторых публикаций за последние несколько лег, посвященных проблемам МП, показывающий, что эти проблемы являются актуальными. Представлен также обзор по проблемам оптимизации конструкций и делается вывод по актуальности этого направления. Рассмотрены работы, в которых представлены методы и результаты исследований НДС и прочности ГО, детально проанализированы основные факторы, влияющие на прочность рассматриваемых изделий, выбраны основные параметры, определяющие адекватность расчетно-экспериментальных методов. На основании указанных материалов, а также материалов введения, сформулирована постановка задач теоретического, экспериментального и численного исследований.
Вторая глава диссертации посвящена научным основам создаваемых расчетно-экспериментальных методов. Для условий эксплуатации ГО предложены новые варианты уравнений состояния, основанные на применении обобщенного принципа Мазинга, понятие которого впервые было введенного В.В.Москвитиным. Представлены критерии потери несущей способности при циклическом неупругом нагружении, базирующиеся на деформационнокинетических подходах, предложенных в различное время в ИМАШ РАН (С.В.Серснсен, Р.М.Шнейдерович, А.П.Гусенков, Н.А.Махугов, А Н.Романов и др.). Впервые приведено аналитическое доказательство двучленности указанных критериев, подтверждающее возможность получения этих экспериментально обоснованных критериальных уравнений на основе общей теории механики сплошной среды. Введены основные гипотезы и положения по выводу систем дифференциальных уравнений, определяющих НДС неупругих ГО с ВГ и КГ при циклическом нагружении Определены основные геометрические характеристики винтообразной поверхности, построены уравнения равновесия и введены соотношения связи перемещений и деформаций, соотношения связи напряжений и деформаций для тонкостенной нсупругой оболочки с винтовой симметрией. Обосновано применение для решения поставленных физически нелинейных задач для ГО таких методов, как метод переменных параметров упругости и соответствующих критериев их сходимости, метода ортогональной прогонки, методов решения задач
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ДИССЕРТАЦИИ
15
Коши, метода интерполирования с использованием сплайн-функций, необходимого объема исходной экспериментальной информации. Приведены основные положения теории многокритериальной оптимизации, на основе которой в следующих разделах диссертации будет предложен соответствующий метод оптимального проектирования ГО. Рассмотрены некоторые вопросы автоматизации решения задач о НДС, прочности и долговечности ГО с ВГ и КГ. Представлена концепция создаваемого в настоящей работе автоматизированного банка по расчетным характеристикам конструкционных материалов ГО, приведен обзор имеющихся аналогов и обсуждены отличительные особенности нового варианта этого банка.
Третья глава диссертации посвящена разработке численного метода исследования НДС и МП неупругих ГО с ВГ и КГ. В этой главе приводится вывод разрешающей системы дифференциальных уравнений и рассматриваются вопросы приведения этой системы к нормальному виду, удобному для их численного решения. Показано, что решение поставленной задачи сводится к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений восьмого порядка. Приводятся различные виды граничных условий для полученной системы. Предложен метод учета технологической наследственности ГО как на стадии оценки НДС, так и на стадии расчета циклической долговечности. Подробно описан метод численного решения полученных нелинейных уравнений с применением представленных во второй главе метода переменных параметров упругости, метода ортогональной прогонки, кубических сплайнов и т.д. Представлен алгоритм численного решения задачи о НДС и МТТ ГО с ВГ и КГ. Обсуждены вопросы точности и вычислительной устойчивости, а также вопросы пре- и пост процессорного сервиса. На примере решения тестовых задач подтверждена адекватность разработанной численной процедуры. Приведены результаты сравнения данных расчета с известными экспериментальными данными по НДС ГО С помощью указанных сравнительных процедур подтверждена достаточная для практических приложений точность разработанного и реализованного применительно к современным вычислительным средствам метода исследования НДС и МП рассматриваемого класса ГО.
Экспериментальному исследованию базовых расчетных характеристик конструкционных материалов, применяемых для изготовления ГО с ВГ и КГ, посвящена четвертая глава диссертации. Эти характеристики необходимы для проведения численного исследования НДС и малоцикловой прочности рассматриваемого класса ГО. Эга часть диссертации представляет самостоятельный научный интерес, т.к. в ней исследуются закономерности поведения материалов в по-прежнему актуальной области циклического неуиругого нагружения. Представлена методика, образцы и оборудование для получения информации по диаграммам деформирования тонкостенных образцов из заготовок при производстве СК и ГМР. Получены данные по диаграммам деформирования нержавеющих сталей и титановых сплавов. Описаны методика, оборудо-
16
вание и представлены полученные данные по сопротивлению нержавеющих сталей длительному малоцикловому деформированию и разрушению. Получены изоциклические и изохронные диаграммы деформирования и кривые малоцикловой усталости указанных материалов в области температур 20 - 700 °С при «рабочих» скоростях нагружения. Применительно к исследованию НДС СКТ выполнены и в данной главе приведены результаты исследования сопротивления малоцикловой усталости материалов ряда трубных сталей (всего испытано 10 сталей), потенциально пригодных для изготовления СКТ. Описаны методика и оборудование для этих исследований. Представлены обширные данные по циклическим диаграммам деформирования с учетом их кинетики и кривым усталости, полученные в результате испытаний более чем 100 образцов. По результатам этих исследований построены средние и минимальные для данного полуцикла кривые деформирования по всем испытанным сталям, а также получены средние и минимальные (огибающие минимальные значения долговечностей) кривые усталости. Полученные характеристики были рекомендованы и использованы в нормативно-технических документах, регламентирующих процедуру оценки МП элементов трубопроводных систем, данные по материалам, для которых по каким либо причинам не могут быть получены. Глава завершается описанием алгоритма и программ, реализующих концепцию автоматизированного банка данных по расчетным характеристикам конструкционных материалов, рассмотренную во второй главе настоящей работы.
Главы с пятой по восьмую диссертации посвящены установлению основных закономерностей сопротивления неупругому циклическому деформированию и разрушению рассматриваемого класса конструстивных элементов с использованием разработанного численного метода, а также представленной и обсужденной в главах 1, 4 исходной информации. В пятой главе рассмотрены результаты проведенного исследования НДС и МП ГО с ВГ в связи с углом подъема гофра. Приведены конструктивные параметры, действующие нагрузки и расчетная схема ГМР с ВГ. Варьирование углом подъема гофра производилось путем изменения числа заходов ВГ в пределах, допускаемых технологией (до четырех). Как показали расчеты, рост числа заходов приводит к росту значений окружной деформации, интенсивности деформаций, осевой жесткости, крутящего момента и к уменьшению МП. Величина меридиональной деформации слабо зависела от числа заходов (с!у> 50 мм) или после незначительного прироста наблюдалось уменьшение этой деформации по абсолютной величине (с!у= 10 мм). Представлено описание методики, аппаратуры и оборудования для проведения ресурсных испытаний СК и ГМР. Приведены результаты экспериментального исследования долговечности СК и ГМР в условиях, имитирующих реальные. Проведено сравнение результатов расчета и эксперимента по МП для СК и ГМР с ВГ. Сопоставление указанных данных показало, что погрешность расчетного зна-
17
чения долговечности относительно экспериментального не превышает 30-50 %, что для усталости считается удовлетворительным результатом.
Шестая глава посвящена исследованию НДС и МП ГО в связи с конструктивными факторами, условиями эксплуатации, механическим поведением материала и технологической наследственностью. Выполнены исследования влияния условного диаметра, радиусов впадин и вершин гофров, высоты гофра, значений толщины стенки ГО и законов ее изменения вдоль меридиана оболочки. Показано, что в общем случае при оценке деформированного состояния СК нельзя пренебрегать изменением его толщины вдоль меридиана срединной поверхности. Показано также, что с целью снижения нагрузок и повышения долговечности предпочтительнее изготовлять СК с высокими гофрами. Однако следует иметь в виду, что при очень высоких гофрах понижается сопротивление сильфона внутреннему давлению, а потеря устойчивости может происходить при меньших значениях нагрузок, чем у СК с меньшим гофром. Далее в главе рассмотрено влияние на НДС СК различных видов граничных условий. Выявлены наиболее благоприятные и неблагоприятные с точки зрения прочности и долговечности виды граничных условий. Исследовано влияние технологического упрочнения и способа изготовления СК и ГМР на МП. Показано, что для ГО с КГ учет упрочнения приводит к некоторому снижению деформаций в наиболее нагруженной зоне и повышению расчетного значения долговечности Для ГО с ВГ расчетное значение долговечности с учетом упрочнения ниже, а без учета выше экспериментального ее значения. Показано, что накатка гофров кольцами в меньшей степени снижает долговечность, чем другие технологии.
Исследовано влияние характеристик конструкционных материалов на сопротивление циклическому деформированию. Показано, что влияние видов диаграмм деформирования на величину максимального значения интенсивности деформации ограничено 40-50 %, что явилось еще одним аргументом в пользу решения данной задачи в нелинейной постановке. Для случая высокотемпературного малоциклового нагружения выполнен анализ НДС ГО в связи с величиной рабочих температур, частотой нагружения и наличием высокотемпературной выдержки. Показано, что в указанных условиях в материале СК из стали Х18Н10Т при температуре 600 °С протекают выраженные температурно-временные эффекты типа ползучести и релаксации, графически и таблично представлены, а также обсуждены соответствующие численные результаты. Предложенный метод оценки длительной МП СК обоснован путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Максимальное отклонение этих величин не превосходит 2,5 - кратного по числу циклов, что позволяет рекомендовать метод для инженерных приложений.
Седьмая глава посвящена обоснованию применения некоторых методов повышения несущей способности СК и ГМР. Проведены исследования в обосновании применения ГО специальной формы гофра, использование которых может обеспечивать уменьшение максимальных
18
циклических деформаций и соответствующее увеличение МП по сравнению с классической формой. С этой целью проведены исследования НДС ГО с шестью контрастными формами. Лучшие результаты показал СК с со- образной формой гофра, применение которой снижает деформации в наиболее нагруженных зонах в несколько раз по сравнению с ГО остальных форм гофра. Выполнено исследование НДС СК в многослойном исполнении. Показано, что наиболее нагруженными слоями сильфона являются его внешний и внутренний слой, причём максимумы напряжений и деформаций приходятся на середины нелинейных зон гофра. Применение СК в таком конструктивном исполнении снижает деформации и повышает несущую способность от действия давления, не существенно снижая осевую жесткость.
В этой главе представлена модель, алгоритм и программа на базе МКЭ для расчетного исследования НДС с учетом влияния бронирующей оплетки и ограничительных колец. Показано, что при наличии этих подкрепляющих силовых элементах наблюдается заметное перераспределение напряжений и деформаций в ГО по сравнению с базовым вариантом. Применение указанных конструктивных решений может поднять несущую способность СК и ГМР в первую очередь при действии давления. В общем случае действия осевого хода и давления несущая способность таких ГО зависит от конкретных конструктивных параметров. Кроме конструктивных факторов для повышения несущей способности ГМР и СК применяют ряд технологических. В этой главе в частности показано, что для большинства СК применение опрессовки пробным наружным давлением приводит к некоторому изменению их геометрии и снижению циклических неупругих деформаций в наиболее нагруженных местах и таким образом может положительно сказываться на их несущей способности.
Экспериментально-расчетному исследованию НДС и МП СКТ посвящена восьмая глава. Приводится описание разработанной методики проведения экспериментального исследования СКТ в условиях циклического действия внутреннего давления и осевого перемещения, имитирующего переменный нагрев. Представлены результаты проведенных исследований для трубы диаметром 630 мм с двухзаходным гофром. Поля циклических упругопластических деформаций определялись с применением малобазной тензометрии. В процессе работ выявлены наиболее нагруженные зоны СКТ, которые соответствовали нелинейным зонам гофров. Определена кинетика нолей деформаций с числом циклов нагружения. Трубы испытывались при рабочих и форсированных режимах до появления малоцикловых трещин. В результате исследования нескольких образцов подтвержден ресурс СКТ, требуемый для эксплуатации в составе теплотрасс, холодных и горячих магистральных трубопроводов. Для одних и тех же условий проведено сравнение МП СКТ с однозаходными и двухзаходными гофрами, показавшее преимущество последних.
Проведено исследование НДС рассмотренных выше типоразмеров СКТ с использовани-
19
ем созданного в настоящей работе метода расчета. Сравнение полученных результатов с данными эксперимента показало качественное совпадение данных расчета и эксперимента, количественно эти результаты совпали с точностью до 5-10 % по деформациям. В этой же главе обосновано применение упрощенного инженерного метода расчетной оценки МП СКТ, позволяющего с достаточной для практических приложений точностью прогнозировать ресурс этих труб в различных условиях эксплуатации. На основании метода показано, что СКТ могут обеспечивать ресурс в условиях повторного нагружения для случаев их эксплуатации в составе теплотрасс ТЭЦ и магистральных нефтепроводов. Определены наиболее повреждающие режимы работы СКТ, а также допустимые числа циклов нагружения внутренним давлением и переменной температурой.
Девятая глава является завершающей в настоящей работе. В этой главе используются результаты, полученные в предыдущих разделах диссертации. Здесь приводится описание разработанного метода оптимального проектирования СК и ГМР. Метод базируется на совместном использовании: а) созданных в настоящей работе методов расчета НДС, основанных на решении дифференциальных уравнений теории оболочек в упругопластической постановке; б) многокритериальном методе оптимизации машин и конструкций - т.н. методе исследования пространства параметров И.М.Соболя, Р.Б.Статникова. Новизна предложенного подхода заключается в том, что поиск оптимальных параметров СК и ГМР осуществляется одновременно по нескольким (в т.ч. противоречивым) критериям качества, каждый из которых необходимо минимизировать. В диссертации рассматриваются критерии качества: максимальная циклическая долговечность или минимальное значение интенсивности деформаций от циклического действия осевого перемещения или силы; минимальная осевая жесткость; максимальная прочность от действия давления; минимальный вес; максимальное давление потери устойчивости; обобщенный критерий (линейная комбинация указанных 5-и критериев).
В соответствии с предложенным подходом диссертантом разработаны алгоритм и пакет программ для ПК, которые позволяют: а) выбирать точки в пространстве варьируемых параметров, решать систему нелинейных дифференциальных уравнений и вычислять критерии качества; б) строить т.н. неупорядоченную и упорядоченную таблицу испытаний; в) строить допустимое и паретовское множества (множества "наилучших" моделей).
С использованием разработанного пакета программ проведена оптимизация параметров СК Е)у-40. При этом рассматривалась т.н. "упрощенная" модель - с использованием 2-х критериев качества. По результатам оптимизации получены значения параметров для "наилучших" моделей. Показано, что определяющее влияние на критерии качества оказывает параметр Ьм (высота гофра), при этом "наилучшим" моделям соответствуют максимальные значения Ь*, т.е. значения вблизи верхней границы вариации.
20
Далее решена задача оптимизации параметров СК для 10-и наборов типоразмеров и с заданием всех 6-и критериев качества, выявлены общие закономерности влияния параметров компенсаторов на критерии качества и для каждого типоразмера приведены оптимальные значения параметров. Показано, что здесь для всех типоразмеров, также как и в случае оптимизации по двум критериям, "наилучшим моделям" соответствуют значения Ьх вблизи верхней границы вариации и таким образом при проекгировании сильфонов рекомендуется выбирать максимально возможные значения Ьх
Список литературных источников, приведенный в конце диссертации, составляет 315 наименований. В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационного исследования. В заключении содержаться основные положения настоящего исследования, рекомендации и выводы.
Автор с благодарностью вспоминает долгие годы совместной научной работы с чл. - корр РАН Гусенковым А.П., который в значительной мере определил научное направление исследований, результаты которых изложены в диссертации. Автор выражает признательность научному консультанту чл. - корр. РАН Махутову Н А. за постоянное внимание и поддержку. Автор выражает благодарность Фокину М.Ф., Вандышеву В.П., Меерсону Б.М., Зинюкову П.И., Новиковой Н.Н., Гасиловой Н.С., Широковой Н.В. за ценные замечания по работе, помощь в проведении многочисленных расчетных и экспериментальных исследований, оформлении диссертации.
21
I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ И ОПТИМАЛЬНОЕ О ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
1.1. Особенности конструкций и условий эксплуатации тонкостенных, гофрированных компенсирующих элементов трубопроводов, используемых в современном машиностроении
Металлический рукав, это гибкий трубопровод, состоящий из тонкостенной гофрированной герметичной металлической оболочки, оплетенной снаружи проволочной оплеткой, с деталями соединения, предназначенный для транспортировки жидких и газообразных сред и компенсации монтажных неточностей и эксплуатационных перемещений трубопроводных систем /1/. Компенсатор - гибкий трубопровод, имеющий относительно больший диаметр и меньшую длину по сравнению с рукавом, состоящий из однослойной или многослойной гофрированной оболочки, имеющий снаружи оплетку, с деталями соединения и др. конструктивными элементами (экран, броня, тендерные тяги и т.д.), предназначенный для транспортировки жидких и газообразных сред и компенсации монтажных неточностей и эксплуатационных перемещений трубопроводных систем. Самокомпенсирующиеся трубы - цилиндрические трубы большого диаметра (630 мм и др.) с винтовыми гофрами, расположенными через определенные расстояния друг от друга. Под гофрированной оболочкой обычно понимается тонкостенная металлическая оболочка с поверхностью волнообразной формы вдоль ее оси /1/. Гофр - элемент гофрированной оболочки, ограниченный перпендикулярными к оси оболочки плоскостями, проходящими через середины двух соседних впадин.
Современные гибкие трубопроводы могут содержать гофрированные оболочки, как с кольцевым гофром (КГ), так и с винтовым гофрами (ВГ), которые, как правило, и определяют их несущую способность. ГО с КГ - оболочка с параллельно расположенными гофрами. ГО с ВГ -оболочка, гофры которой образуют однозаходную или многозаходную винтовую поверхность. У конструкций трубопроводов с КГ и ВГ свои преимущества и недостатки. ГО с ВГ, как правило, технологичнее, поскольку способ накатки такого гофра проще и производительнее гидроформования кольцевого гофра. Кроме того, такие оболочки экономичнее, т.к. их себестоимость в 1,5-2 раза ниже себестоимости оболочек с кольцевым гофром. Более широкое распространение компенсирующих элементов с ВГ сдерживается отсутствием адекватных методов оценки их несущей способности. В то же время ГО с КГ являются значительно более распространенными, чем с ВГ,
22
применяются как в однослойном, так и в многослойном исполнении, в них не возникают дополнительные крутящие моменты, которые не всегда благоприятны при эксплуатации. ГО с ВГ и КГ, предназначенные для изготовления современных и перспективных компенсаторов и металлорука-вов, отличаются большим разнообразием конструктивных параметров и технологий получения.
СК и ГМР являются объектами общемашиностроительного и многоотраслевого применения. Основной технический эффект их использования связан с тем, что ГО, составляющие основу данных изделий, обладают существенно меньшей продольной и изгибной жестокостями, чем аналогичные гладкие оболочки, и позволяют компенсировать большие перемещения граничных контуров не приводя к возникновению больших деформаций в металле. Это дает возможность увеличить несущую способность рассматриваемых в настоящей работе элементов, особенно по критериям усталостной прочности.
В авиации СК и ГМР широко применяются /2/ в качестве компенсаторов и виброизоляторов в системах управления и автоматического регулирования, а также в их системах пневмогид-равлических коммуникаций. Повсеместно вводимая модульность конструкций, позволяющая проводить осмотр изделий без съема с изделия и замену дефектных узлов и агрегатов, предполагает наличие удобных соединений трубопроводов по местам разъема демонтируемых узлов. Использование податливых систем на базе рассматриваемых ГО значительно облегчает доступ к стыкуемым поверхностям. Роль компенсаторов термических перемещений возрастает и в системе кондиционирования воздуха в связи с увеличением высотности полета. Кроме того, ГО применяются в системах дозаправки самолетов в воздухе. Существующие и вновь создаваемые газотурбинные двигатели (ГТД) обладают высокими значениями степени повышения давления воздуха за компрессором и температуры рабочих лопаток турбины. Это приводит к необходимости применения герметичных соединений подвижного типа для компенсации термических удлинений трубопроводов отбора воздуха из-за компрессора, а также наличия гибких трубопроводов систем подвода воздуха в радиаторы для эффективного охлаждения лопаток турбины. Роль СК и ГМР в авиации увеличивается в связи с появлением в эксплуатации рабочих продуктов, отличающихся значительной токсичностью, а также в связи с необходимостью обеспечения транспортировки криогенных видов топлива. Перечисленные и другие направления развития коммуникаций авиа изделий показывают, что успешное решение возникающих проблем, возможно лишь в случае широкого применения разнообразных конструкций гибких трубопроводов.
Достаточно широко изделия на базе ГО применяются и в ракетно-космической технике. При этом, также как и а авиации, ГМР используются в системах подачи топлива и окислителя, системах охлаждения и автоматического управления и т.д. Кроме этого ГО и созданные на их основе ГМР применяются для получения герметичных соединений трубопроводов различного назначе-
23
ния при сборке отдельных отсеков ракет-носителей и многоразовых космических летательных аппаратов (МКЛА «Буран» и др.). Рассматриваемые в настоящей работе изделия достаточно широко представлены в различных системах космических станций «Мир» и «Альфа».
Перспективным является использование ГО в автомобильной промышленности. В настоящее время на автомобильных заводах страны применяются в качестве штатных изделий (КАМАЗ, ВАЗ) /3/ и разрабатываются новые конструкции выхлопных систем автомобилей с применением СК, позволяющих существенно снизить уровень вибраций и шума, повысить долговечность различных узлов автомобиля. Рассматривается возможность разработки СК для каталитических нейтрализаторов выхлопных газов (используются в большинстве иномарок), позволяющих существенно снизить экологические потери от эксплуатации отечественных автомобилей. Создаются новые конструкции абсолютно герметичных кранов для различных систем автотракторной техники, перспективные конструкции виброопор двигателей и элементов подвески автомобилей с применением тонкостенных ГО.
Металлические одно- и многослойные сильфоны являются необходимыми элементами в нефтехимическом и газовом машиностроении /4,207/. В этой отрасли ГО применяются в качестве арматуры трубопроводных транспортных систем по доставке потребителям энергоносителей и сырья. В указанных отраслях машиностроения ГО используются, также в качестве разделителей сред, уплотняющих элементов, деталей силового узла в средах, не вызывающих коррозии металла при температуре от - 160°С до + 550°С /5/.
Широкое применение изделия на основе ГО оболочек нашли в судостроительной промышленности и энергетике, в том числе на атомных электростанциях. В этих отраслях промышленности СК в основном используются в качестве компенсаторов трубопроводных систем. В качестве чувствительных элементов ГО применяются в приборостроении.
Самокомпенсирующиеся трубы являются перспективными гофрированными винтообразными элементами для изготовления городских и сельских теплотрасс, прокладки «холодных» и «горячих» трубопроводов /6/. Применение СКТ позволит избавиться от П-образных, сальниковых и других видов компенсирующих устройств, что значительно удешевляет и упрощает конструкцию трубопроводов, повышает их надежность и долговечность. Положительный эффект от применения СКТ подтвердили результаты опытной эксплуатации участков городских теплотрасс, выполненных с применением нового вида труб.
Таким образом, резюмируя вышесказанное, можно констатировать, что изделия на основе ГО действительно, наряду с валами и осями, зубчатыми передачами, редукторами, резьбовыми соединениями, подшипниками и т.д. /7/, являются наиболее характерными видами массовой про-
24
дукции машиностроения межотраслевого применения. Этот факт подтверждает и обзор зарубежных информационных источников. Согласно этим публикациям, в развитых в техническом и экономическом отношении странах мира СК и ГМР изготавливаются более чем 80 фирмами, объединениями и специализированными предприятиями. Наиболее известными из них являются: а) США - "Anakonda" и ее филиалы, "Flexonics Corp.", "Hexonics Corp. ", "Flexible Tubing Corp." и др.; б) Англия - "Abboflex Ltd.", "Power Flexible Tubing Co. Ltd.", "Pressey International Ltd.", "Vores Bergen Conflox Led." и др; в) Франция - "Tecalemit Gelbon Rungis", "Tynaux Flexibles Rudolf', "La Jon-chere", "ISS - Les Moulineaux" и др.; г) Германия - "GMBH - Hidra", "Flexinics Corp.", "Sicherheit mil IWK"; д) Япония - "Nippon Valgua Korio Ltd.", "Osaka rasenkan kodyo Co. Ltd.", "Kokusan Rasean -Kan Seisaku Cp. Ltd." и др. Филиалы указанных фирм, а также самостоятельные предприятия -производители рассматриваемых изделий имеются в Италии, Швеции, Бельгии, Голландии, Индии, Юж. Корее, Тайване и др. странах.
Зарубежные предприятия, как правило, уделяют серьезное внимание проведению научных исследований, разработке и выпуску изделий новых конструкций, которые являются востребованными во всем мире и производятся миллионными тиражами.
В России СК и ГМР разрабатываются и производятся на ГУУАП «Гидравлика», фирме «Гибкие трубопроводы», ОКБ «Гидромеханика» (все г. Уфа), ЦКБА «Знамя труда», СКТБ «Компенсатор», ЦНИИ «РУМБ» (все г. Санк-Петербург), КБ «Химавтоматика» (г. Воронеж) и др. Потребительские качества и технический уровень продукции российских разработчиков и производителей, как правило, соответствовал (и на данный момент) лучшим зарубежным аналогам. Такое положение было достигнуто за счет проведения в жизнь ряда специальных правительственных программ, потребовавших огромных усилий ученых, конструкторов, технологов, рабочих и техников, а также больших материальных затрат и организационных усилий. Тем не менее, создание новых конкурентоспособных изделий сдерживается отсутствием данных о механических процессах, происходящих в материале рассматриваемых изделий и отсутствием адекватных методов исследования.
1.1.1. Гйбкие металлические рукава
Конструктивно гибкий металлический рукав (рис. 1. 1 (а, б)) представляет собой гофрированную оболочку 1, покрытую снаружи металлической оплеткой 2. Гофрированная оболочка и оплетка заделаны в арматуру 3. Собственная арматура рукавов позволяет присоединить при помощи пайки или сварки любую стандартную концевую присоединительную арматуру, что обеспечивает унификацию ГМР.
Рис. 1.1. Конструкция гибкого металлического рукава
Рис. 1. 4. Гофрированные оболочки типа СРГС. а) однозаходные; б) двухзаходные
Рис. 1.5. Гофрированные оболочки типа РГТА и РГТЦ: а) обычная; б) с бронирующей проволокой
26
Проволочная оплетка ГМР, является основным силовым элементом, обеспечивающим статическую прочность при действии внутреннего давления. Кроме того, оплетка защищает гофрированную оболочку от механических повреждений. По конструкции проволочное онлетение ГМР являегся оплеткой сетчатого типа. Она состоит из переплетающихся между собой, в определенной последовательности плоских прядей металлических проволочек, уложенных под заданным углом по внешней поверхности гофрированной оболочки (рис. 1.2), где Don- наружный диаметр оплетки; dnp- диаметр проволоки; zdnp- количество проволок в пряди; а- угол оплетения; Т - шаг оплетения.
ГМР выпускаются с концевой присоединительной арматурой в соответствии со стандартами и без концевой арматуры. На рис. 1.3 схематично представлен парамегрический ряд (номенклатура) разработанных гибких металлических рукавов.
Разработанная номенклатура применяемых гибких металлических рукавов классифицируется по следующим признакам: конструкция гофрированной оболочки и способ ее изготовления, присоединительная арматура, величина рабочего давления и внутренний диаметр рукава, условия эксплуатации и тип рабочей среды, требования к чистоте внутренней поверхности.
В зависимости от конструкции гофрированной оболочки различают следующие типы гибких металлических рукавов:
1) СРГС - сварные рукава герметичные стальные (рис. 1.4 (а, б)). Оболочки рукавов типа СРГС /85/ образуются сверткой по спирали предварительно спрофилированной стальной ленты с последующей контактно-шовной сваркой по вершине гофра. Гофрированные оболочки СРГС изготавливаются с внутренним диаметрами dy = 16-350 мм из нержавеющей (XI8H10T) стальной ленты толщиной 0,15-0,4 мм /86/. Гофрировка может быть одно (рис. 1.4,а) и многозаходной (рис. 1.4,6). У некоторых рукавов, с целью повышения их несущей способности, во впадины гофров укладывается высокопрочная бронирующая проволока. Для гибких гофрированных оболочек малого диаметра двухзаходный профиль не применяется, так как в процессе их профилирования и свертывания возникают большие напряжения, которые могут вызвать появление поверхностных микротрещин, особенно в зоне сварки. ГО ГМР типа СРГС могут иметь большую длину, чем гофрированные оболочки, изготовленные из цельнотянутых или сварных труб.
2). РГТ, РГТС - рукава герметичные из трубных заготовок и из сварных трубных заготовок. ГО указанных рукавов изготавливаются из трубных заготовок способом гидроформования /18/. ГО РГТС изготавливается одно и двухслойными. Трубные заготовки могут быть цельнотянутые, сварные контактно-шовной сваркой внахлест по длине и сваренные аргонно-дуговой сваркой встык по длине и по спирали. Применяются одно и двухслойные трубы с внутренними диаметрами dy = 20-125 мм, с толщиной стенки одного слоя 0,15-0,3 мм, исходным материалом служит не-
27
Рис. 1.3 Гибкие металлические рукава, выпускаемые отечественной промышленностью
28
ржавеющая лента из стали Х18Н10Т, но могут использоваться и такие материалы как ВЖ 98, ЭИ 654, ВТ 1-0/7/.
Гофрированные оболочки, изготовленные указанным способом, имеют кольцевые гофры Такие оболочки обладают более точной геометрией профиля; повышенной надежностью, повышенной циклической прочностью.
3) РГТЛ - рукава герметичные со спиральным гофром из труб, сваренных аргонно-дуговой сваркой (рис. 1.5 (а,б)).
Гофрированные оболочки рукавов указанного типа изготавливаются механическим формованием гофров, путем накатки гофров по спирали с помощью колец, собранных в специальную формующую головку /88/. Заготовкой для изготовления оболочек служит труба, сваренная встык по длине аргонно-дуговой сваркой. Внутренние диаметры труб 6-32 мм, толщина стенки труб-заготовок 0,2-0,6 мм, материалом служит стальная лента Х18Н10Т, но может применяться и материал ЭИ 654. Оболочки типа РГТА применяются в основном для изготовления рукавов ответственного назначения, для высоких давлений и строгих требований по чистоте. Для повышения несущей способности во впадину гофра может укладываться спираль из высокопрочной нержавеющей проволоки (см. рис. 1.5,6).
Гибкие металлические рукава изготавливаются с присоединительной арматурой в соответствии с ОСТ 100697-74 по рабочим чертежам в установленном порядке.
1) Рукава могут поставляться без арматуры. ГМР типа РГТА и СРГС без арматуры (гибкая часть) изготавливаются с dy = 6-50 мм и поставляются отрезками длиной L не менее 1000 мм.
2) ГМР типа РГТА, СРГС, РГТ с арматурой под сварку с присоединительной арматурой или жесткими трубопроводами. Они изготавливаются с условными диаметрами: dy = 6-32 мм, тип РГТА, dy= 20-250 мм, тип СРГС, dy= 20-125 мм, тип РГТ.
3) ГМР с присоединительной арматурой для соединения по наружному конусу ("конус-конус с углом 74°» по ГОСТ 13954-68 - ГОСТ 13977-68. Они изготавливаются с условными диаметрами: dy=16 мм, тип РГТА; dy= 20-32 мм, тип СРГС.
4) ГМР с присоединительной арматурой для соединения по внутреннему конусу («сфера-конус с углом 60°») по ГОСТ 16039-70 ГОСТ 16078-70. Они изготавливаются с условными диаметрами: dy~ 6-16 мм, тип РГТА; dy= 20-32 мм, тип СРГС.
5) ГМР с присоединительной арматурой для флацевого соединения по типу "шип-паз". Изготавливают рукава типа. СРГС с условными диаметрами dy=40-250 мм.
6) ГМР с присоединительной арматурой для фланцевого быстросъемного соединения с откидными болтами. Изготавливаются рукава типа СРГС с условными диаметрами dy=50-150 мм.
Гибкие металлические рукава с присоединительной арматурой изготавливаются длиной L
29
в соответствии с табл. 1.1.
Таблица 1.1.
Без согласования с заказчиком (Lj, мм) По согласованию с заказчиком (Ь, мм)
250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 150-1000 (с интервалом 10 мм), 1020-1500 (с интервалом 20 мм), 1600-3000 (с интервалом 200 мм), 3500-6000 (с интервалом 500 мм).
В зависимости от величины рабочего давления внутреннего диаметра и типа конструкции, ГМР сведены к параметрическому ряду Ррзб в МПа: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 7,5; 10,0; 12,0; 15,0; 21,0; 25,0. Различают рукава низкого, повышенного и высокого давления /1/. Рукава низкого давления, как правило, изготавливаются без усиления гофрированной оболочки бронирующей проволокой, в одной оплетке для давлений 10,0-4,0 МПа, для бу от 6 до 50 мм соответственно и 2,5-1,0 МПа для с!у от 70 до 250 мм. Увеличение несущей способности рукавов достигается введением бронирующей проволоки во впадины гофров, увеличением количества слоев оплетки, а также увеличением толщины стенки оболочки. В результате этого получают рукава, удовлетворяющие эксплуатации при повышенных и высоких давлениях - от 2,5 до 28 МПа при с1у от 125 до 6 мм соответственно.
ГМР предназначены для эксплуатации на летательных аппаратах (воздух, вакуум, вода, топливо, спирт, масла, жидкости АМГ 10, 7-50-С-З, продукты по ГОСТ 9293-74 и др.), а также для эксплуатации на наземных объектах (продукты по ГОСТ 5583-68 и 6361-68 и др.). По требованиям к чистоте внутренней поверхности ГМР подразделяются на три класса в зависимости от количества гранулометрических частиц, обнаруженных после фильтрации контрольного продукта, объемом 100 см3.
1.1.2. Сильфонные компенсаторы
СК отличаются от ГМР большей жесткостью, меньшей длиной, большими диаметрами, многословностью конструкций, большими нагрузочными параметрами, особенностью конструкции и т.д. СК применяют для снижения:
а) деформации элементов трубопроводной системы, возникающие из-за погрешностей монтажа; б) статических и циклических нагрузок, действующих на трубопроводы; в) деформаций элементов трубопроводной системы, возникающих в результате эксплутационных перемещений;
г) воздействий вибрационных нагрузок на трубопроводы; е) пульсаций давления рабочей среды.
СК являются наиболее распространенным видом гибких соединений в трубопроводных системах различных технических устройств /1,2,7/. В настоящее время освоено производство па-
30
раметрического ряда (номенклатуры) СК для трубопроводных систем и силовых установок летательных аппаратов (рис. 1.6), а также для нефтехимического /5,20,21/, судостроительного, энергетического, транспортного /3/ и других отраслей машиностроения.
СК для летательных аппаратов и их силовых установок выпускаются следующих основных исполнений:
- под фланцевое соединение стяжным хомутом (см. рис. 1.7, фланец 2), либо под фланцевое болтовое соединение (см. рис. 1.7, фланец 5);
- соединение под сварку с жесткими трубопроводами (см. рис. 1.8, втулки 2).
Основные размеры компенсатора, а также допустимые перемещения его торцов указываются в технической документации. Ресурс, компенсатора, определяемый количеством перемещений его торцов, назначается в зависимости от условий его эксплуатации.
ГО СК изготавливается из многослойных труб-заготовок толщиной одного слоя 0,15-0,8 мм методом гидравлического формования и имеет кольцевые гофры. Для повышения прочности и устойчивости гофрированных оболочек во впадины гофров могут закладываться пружинные кольца (рис. 1.8).
В консгрукциях компенсаторов применяются проволочные оплетки, заделанные с одного конца и свободного с другого конца (плавающие оплетки, см. рис. 1.7), а также оплетки- заделанные с обоих концов (см. рис. 1.8). Оплетки компенсаторов, заделанные с обоих концов имеют уменьшенный угол оплетения равный 36°, что предотвращает вспучивание оплетки при сжатии компенсатора.
Применение экрана во внутренней полости, позволяет снизить величину гидравлического сопротивления компенсатора, а также предотвратить взаимодействие скоростного потока с гофрированной оболочкой, приводящего к резонансным колебаниям последней. Экран 4 представляет собой гладкую цилиндрическую оболочку толщиной стенки 0,5-1 мм, консольно заделанную с одного конца (см. рис. 1.7). Со стороны заделки в экране имеется ряд отверстий, расположенных по окружности и предназначенных для выравнивания поля давлений в полости между гофрированной оболочкой и экраном. Компенсатор с экраном имеет на наружной поверхности стрелку, указывающую направление потока рабочей среды.
В последние годы разработан ряд новых, перспективных конструкций сильфонных компенсаторов. Для разгрузки узлов крепления компенсаторов и агрегатов от распорных усилий, возникающих на торцах компенсаторов от внутреннего давления, применяются различные типы уравновешенных компенсаторов III. Наиболее эффективными являются уравновешенные компенсаторы с разгрузочной камерой.
31
КОМПЕНСАТОРЫ
УСЛОВНЫЙ ДИАМЕТР
ОСЕВЫЕ
Без оплетки
С экраном
С оплеткой: жесткая плавающая вспученная
УГЛОВЫЕ
КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
НАПРАВЛЕНИЯ КОМПЕНСИРУЕМЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
С бронированием кольца, браслеты, рессоры
ПОПЕРЕЧНЫЕ
С разгрузочной камерой
комбинированные
камерные
ВСЕ НАПРАВЛЕНИЯ
Рис. 1.6. Сильфонные компенсаторы для летательных аппаратов