Напряженное состояние и прочность сосудов высокого давления спирально-рулонной конструкции тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ШВА 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. Ц

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 -ния, 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 ИркутскНИИхиммаше 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 ИркутскНИИхиммаше и на кафедре "Сопро -тивление материалов" МИХМа.

Основные цели и задачи диссертации:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния сосудов высокого давления спирально-рулонной конструкции.

2. Теоретические и экспериментальные исследования несущей способности спирально-рулонных сосудов с учетом сил трения и различных пластических свойств материала слоев.

-73. Теоретические и экспериментальные исследования упругих характеристик спирально-рулонной навивки, как анизотропного тела.

4. 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 300°С. 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.

1. Метод расчета несущей способности спирально-рулонных сосудов, учитывающий различные пластические свойства слоев и действующие между ними силы трения.

2. Метод расчета упругих характеристик спирально-рулонных слоев в зависимости от сил трения и контактного давления.

3. Метод расчета напряженного состояния спирально-рулонного сосуда как толстостенной анизотропной оболочки с учетом контактной податливости.

4. Новый вид функции контактной податливости, более точно описывающей физическую сущность процесса контакта слоев под нагрузкой в многослойных системах.

5. Упрощенная инженерная методика расчета несущей способности и напряженного состояния спирально-рулонных сосудов, разработанная 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.

Результаты исследования напряженного состояния спирально-рулонных сосудов при пробном давлении

Номер сосуда Средние экспериментальные напряжения, Мла Экспериментальные напряжения в % к напряж. по Ляме Расчетные напряжения, НПа

Внутренняя поверхность Наружная поверхность Внутренняя поверхность Наружная поверхность Внутренняя поверхность Наружная поверхность кольц. осевые кольц. осевые кольц. осевые кольц. осевые кольц. осевые кольц осевые

I 493 £14 289+9 146±10 228 ±7 171 270 107 136 502 314 122 222

2 283±24 1Э5±56 178 Я6 10 4 ±17 116 130 91 106 326 154 139 III

3 366+65 154170 74±29 72i32 172 179 43 84 355 124 60 124

4 461±22 181 ±39 190±33 132133 124 118 62 86 516 255 178 173

3} » всех исследованных сосудов расчетные осевые напряжения несколько выше экспериментальных. Это связано с тем, что при сварке наружного слоя (кожуха) по винтовой линии к нему приваривается предыдущий слой. В результате происходит увеличение упругих характеристик предпоследнего слоя в осевом и кольцевом направлениях по сравнению с расчетными.

При определении напряженного состояния спирально-рулонных сосудов это обстоятельство не учитывалось и эффект от его действия можно отнести в запас прочности.

Исследования усталостной прочности показали, что все модели и сосуды спирально-рулонной конструкции выдержали нагрузки пробным давлением в количестве 1000 циклов.

На первом десятке циклов снимались показания индикаторов, фиксировавших движение слоев навивки (рис.5.И-5Л2) и абсолютное удлинение цилиндрической части корпуса.

Результаты замеров показали, что упругие нагружения внутренним давлением сопровождаются смещением спиральных витков друг относительно друга как в одном слое, так и в соседних слоях.

В табл.5.8 приведены величины смещений, полученные как разность базовых длин между стойками при нагрузке и после разгрузки.

ЗШЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что на прочность и напряженное состояние спирально-рулонных сосудов значительное вличние оказывают силы трения, возникающие между слоями и величины межслойных зазоров. Разработан метод определения несущей способности сосудов высокого давления спирально-рулонной конструкции в осевом направле -нии с учетом сил трения, возникающих при различных схемах про -скальзывания слоев.

2. Рассмотрена методика расчета предельной прочности сосудов многослойной конструкции при различных пластических свойствах слоев, из которой следует, что предел текучести материала центральной обечайки не должен быть больше предела текучести материала навитых слоев, а относительное удлинение при разрушении не должно быть меньше относительного удлинения материала этих же слоев.

3. Разработан алгоритм и программа расчета напряженного состояния спирально-рулонного сосуда как анизотропного цилиндра, состоящего из ортотропных слоев, с учетом контактной податли -вости. Влияние технологических факторов, таких как натяжение полосы и межслойные зазоры учитывается при расчете величиной предварительного натяга.

4. Проведены экспериментальные исследования величин коэффициента трения в условиях близких к реальным условиям работы слоев при нагружении сосуда внутренним давлением.

Установлена гарантированная величина коэффициента трения для рулонного проката равна 0,18.

5. Результаты расчета предельных нагрузок сосудов спирально-рулонной конструкции по разработанной методике хорошо corласуются о данными экспериментальных исследований несущей способности спирально-рулонных моделей и сосудов.

6. Разработана инженерная методика определения геометрических параметров спирально-рулонных сосудов по несущей способности.

7. На основании многочисленных расчетов, произведенных с помощью ЭВМ, получены формулы, отражающие многофакторную зависимость напряжений на внутренней поверхности цилиндра от внутреннего давления, внутреннего радиуса, угла навивки, числа слоев, толщины центральной обечайки и спиральных слоев.

8. Экспериментальные исследования показали, что предложенные методы расчета с достаточной точностью описывают напряженное состояние сосудов высокого давления спирально-рулонной конструкции.

1. Акида Е и др. Исследование многослойных цилиндров, работающих под высоким давлением, - Исика Вадзима Хама йсхо, Т 9, 1969, Ш 4, с.376-389

2. Амбарцумян С.А. Теория анизотропных оболочек М., Физ-матгиз, 1968, 356 с.

3. A.C.582436 (СССР). Многослойный сосуд высокого давления /П.Г.Пимштейн, М.М.Шель, Е.Р.Хисматулин и др. Заявл. 22.06.72, № 1802508; Опубл. в Б.И. 1977, № 44.

4. A.c. 504075 (СССР) Устройство для определения влияния давления на выходной сигнал тензорезиетора /Л.Б.Цвик- заявл. 06.10.73 № 1961487/25';' Опубл. в Б.И., 1977, №> 7.

5. A.c. 963643 (СССР). Способ изготовления многослойных изделий. П.Г.Пимштейн, Б.Г.Мурашев, А.А.Тупицын и др.- Заявл. 3.09.80, Цо 2977412, Опубл. в Б.И. 1983, № 37.

6. Баш В.Я., Коваленко В.А., Пискун В.В. Исследование упру гопластического деформирования многослойных рулонированных цилиндрических обечаек Проблемы прочности, 1983,112 8, с.93-95

7. Бабенко А.Е. Расчет напряженно-деформированного состояния трехслойной рулонированной оболочки при больших коэффициентах трения между слоями. Проблемы прочности, 1978, № 3,с.63-65.

8. Безухов Н.И. Основы теории упругости пластичности и ползучести. М., Высшая школа, 1968, 512 с.

9. Бейлин М.И., Либина Б.И. Многослойные толстостенные сосуды. Общее машиностроение,1941, №4, с.II.

10. Болотин В.В., Новичков Ю.М. Механика многослойных конструкций. М., Машиностроение, 1980, 375 с.

11. Бидерман В.Л. .Упругость и прочность анизотропных стеклопластиков. Расчеты на прочность. М., 1965, №11, с.3-30.

12. Борсук Е.Г. Напряженное состояние и прочность спирально-многослойных (рулонных) оболочек высокого давления. Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук. Воронеж, 1975-245 с.

13. Вилъниц С.А. К вопросу расчета толстостенных сосудов. Труды МИИТХТ им.М.В.Ломоносова, 195 2, Ш 3.

14. Временные Т.у. на изготовление опытно-промышленных спирально -рулонных сосудов. Введены с 08.10.76. Уралхиммаш, ИркутскНИИхиммаш, Иркутск, 1976, 12 с.

15. Выбор технологической схемы и исследование прочности спирально-рулонных сосудов. Разработка рекомендаций по промышленному внедрению: Отчет /ИркутскНИИхиммаш.; Руководитель темы М.М.Шель 04.73, № ГР 73042159; Инв № Б347766 - Иркутск, 1974, -88 с.

16. Гадолин A.B. Теория орудий скрепленных обручами. Арт. журнал, № 12, 1861.

17. Гордеев В.Н.,Микитаренко М.А., Перельмутер A.B. О расчете спирально-многослойного сосуда высокого давления в упруго-пластической стадии Проблемы прочности, 1979, № 7, с.99-104.

18. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. М., Изд.стандартов, 1974, 12е.

19. Ф. Елпа1ъевский А.Н., Васильев В.В. Прочность цилиндри -ческих оболочек из армированных материалов. М., Машиностроение, 1972, 167 с.- ///21. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Основы математического анализа, чЛ, М., Наука, 1971, 599с.

20. Ильин л.А.»лоокова H.A. Упругая деформация и проскальзывание слоев рулонированнои цилиндрической ооолочки при нагру-жении внутренним давлением. Прикладная механика, 1981, № б, с.59-63.

21. Ильин Л.А., Лобкова H.A. Исследование напряженного состояния рулонированной цилиндрической оболочки с учетом трения. Прикладная механика, 1982, № II, с.49-55.

22. Исследование напряженно-деформированного состояния многослойных спиральных труб: Отчет /ВЗПИ; Руководитель темы

23. И.К. Суворов- 28-74 № ГР 74012804; йнв № £449430. М.,1975,38с.

24. Зо. Исследование коэффициента трения для листового проката /Е.Г.Борсук, Ю.Ф.Кирсанов, П.Г.Пимштейн, В.Д.троценко, А.А.Тупицын Машиноведение fe 6, 1982 c.ö3-ö6.

25. Камке а. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М., Наука, 1965, 703 с.

26. Коваленко В.А., Пискун В.В., Шевченко Ю.Н. Напряженное состояние многослойного с зазорами между слоями цилиндра при опрессовке Тепловые напряжения в элементах конструкций , ¡1° 20, с. 15-19.

27. Комахара X и др. Прочность многослойных днищ- /ег

28. Ацуреку Гидзюцу, T.I3, 1975, №> 4, с.177-186.

29. Зи. Коняхин И.Р. Теория цредварительных смещений применительно к вопросам контактирования деталей. Томск, Томский универси -тет, 1965, 114 с.

30. Крагельский И.В., Добычин М.И., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М., Машиностроение, 1977, 525 с.

31. Кузнецов E.H. Конструирование оболочек из лент В тр. Международного симпозиума по напряженному состоянию пространственных строительных конструкций, Токио, Киото, 1972, с.339-344

32. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела М., Наука, 1977, 356 с.

33. Лобкова H.A. Напряженно-деформированное состояние многослойной рулонированной цилиндрической оболочки при различных перехлестах краев навивки. Прикладная механика, 1981, № 9,с. 122-124.

34. Лобкова H.A. Влияние закрепления краев навивки на напряженно-деформированное состояние рулонированной цилиндрической оболочки Прикладная механика, 198 2, № 4 6.48-52.

35. Макаров В.М., Шель М.М. Создание спирально-рулонных сосудов высокого давления. Химическое машиностроение, 1979 9, с. 7-9.

36. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., машиностроение, 1968, 560 с.

37. Марочник стали для машиностроения. М., НИИМАШ, 1969 , 598 с»

38. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики, М., Наука, 1980, 535 с.

39. Мельников Н.П., Потапов Н.М. Об одной физической модели, учитывающей действительную работу многослойных сосудов высокого давления. Строительная механика и расчет сооружений, 1980, Ш 2, с. 10-15.

40. Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций,опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. М., Металлургия, 1973, 409 с.

41. Об аппроксимирующей функции сближения шероховатых контактирующих поверхностей в многослойных конструкциях /А.А.Тупи-цын, П.Г.Пимштейн, Е.Г.Борсук, Л.Б.Цвик. Известия ВУЗов, Машиностроение, 1983, № 12, с.3-9.

42. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптималь -ное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М., Машиностроение, 1977, 144 с.

43. ОСТ 26-1046-74. Сосуды и аппараты высокого давления. Нормы и методы расчета на прочность. М., НИИхиммаш, 1974 , III с.

44. ОСТ 2S-0I-22I-8Û. Сосуды многослойные рулокированные стальные высокого давления. Общие, технические условия. М.»НИИхиммаш, 121 с.

45. Пановко Я.Г. Проблемы теории конструкционного демпфирования в неподвижных соединениях. Труды третьего совещания по основным проблемам теории машин и механизмов, динамике машин. М., 1963, с.210-221.

46. Пат. 7610845 /Франция/Rècipient multicouhe à haute pression / П.Г.Пимштейн и др. Заявл.Ю.П.1977;1. Опубл. 25.8.1978.

47. Пат.1494160 /Англия/Multilayer pressure vessel /П.Г.Пимштейн и др. заявл. 23.04.76; опубл.07.12.1977.

48. Пат. 4010864 /США/ Multilayer pressure vessel П.Г.Пимштейн и др. заявл. 7.04.76 Опубл. 08.03.1977.

49. Пат. ДЕ 2612977 /ФРГ/мвЬг1ав1ввв Втпокёе±юв П.Г.Пимштейн и др. Заявл. 25.03.76; Опубл. 29.09.77

50. Пат.1098918 /Япония/ Многослойный сосуд давления /П.Г.Пимштейн и др. Заявл. 15.04.76; Опубл. в 1981

51. Пимштейн П.Г. Упругая работа стальных многослойных корпусов высокого давления. Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук, Иркутск, 1967, 215 с.

52. Пимштейн П.Г*, Хисматулин Е.Р., Лушпей М.К. Прочность сварных многослойных сосудов высокого давления. Автоматичес -кая сварка, 1966, № 6 с.31-34.

53. Пимштейн П.Г., Татаринов В.Г. Об упруго-пластической работе многослойного цилиндра с зазорами Химическое машино -строение, 1969, № 7, с. 12-15.

54. Пимштейн П.Г. Исследование прочности многослойных сосудов высокого давления. Химическое и нефтяное машинострое -ние, 1968, № 7, с.аэ-22.

55. Пимштейн П.Г., Семилетко Г.В. Расчет напряжений в многослойном сосуде с зазорами. в кн.: Проблемы химического машиностроения: Матер. 2-й молодежной научно-техн.конф./ЦИНТИХИМ -НЕФТЕМАШ. М., 1968. с.69-74

56. Пимштейн П.Г., Семилетко Г.В. Напряженное состояние многослойного цилиндра высокого давления. В кн.: Вопросы прочности сосудов высокого давления /НИИхиммаш, Иркутск,1969 , вып.X, с.110-132

57. Пимштейн П.Г., Жукова В.Н. Расчет напряжений в многослойном цилиндре с учетом особенностей контакта слоев. Проблемы прочности, 1977, № 5 с.71-77.

58. Пимштейн П.Г., Борсук Е.Г. Экспериментальное исследование напряженного состояния рулонированной оболочки под действием внутреннего давления. Проблемы прочности,1978,№9,с.56-61

59. Пимштейн П.Г., Борсук Е.Г., Тупицын A.A. Исследование прочности спирально-рулонных сосудов В кн.: Исследования по механике деформируемых сред, Иркутск, ИПИ, 1979, с. 132-138.

60. Пимштейн П.Г., Борсук Е.Г., Берсенева Л.В. Расчет на прочность спирально-рулонных сосудов. Химическое машиностроение, 1980, № 4, с. 15-16.

61. Пимштейн П.Г., Тупицын A.A., Борсук Е.Г. Расчет несущей способности многослойной стенки сосуда высокого давления при различных пластических свойствах слоев. В кн.: Исследование по механике деформируемых сред. Иркутск, ИПИ,1982 с.64-67.

62. Писаренко Г.С., Бабенко А.-Е. Напряженно-деформированное состояние трехслойной рулонированной цилиндрической оболоччки под внутренним давлением. Проблемы прочности, 1977, fe 3, с. 3-5.

63. Писаренко Г.С., Бабенко А.Е. Напряженное деформированное состояние многослойной рулонированной оболочки. - Проблемы прочности, 1977, № 7 с, 3-6.

64. Площадь фактического контакта сопряженных поверхностей /П.Е.Дьяченко, Н.Н.Толкачева, Г.А.Андреев, Т.М.Карпова

65. Изд-во АН СССР, 1963, 95 с.

66. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования эксперимента, М., Наука, 1970, 76 с.

67. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.,Машиностроение, 1966, 193 с.7 2. Рудзит Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига, Зинатне, 1975, 216 с.

68. Сагидаев Ю.М. Расчет спирально-многослойных оболочек типа сосудов высокого давления: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук. Киев,1979-18 с.

69. Самарский A.A., Николаев B.C. Методы решения сеточных уравнений, М., Наука, 1979, 595 с.

70. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. М., Машгиз, 1961, 463 с.- т

71. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. М., Машгиз, 1946,

72. Схематизация многослойной рулонированной стенки сосуда анизотропным цилиндром /Л.А.Ильин, Н.А.Лобкова, В.А.Нехотящий, Н.П.Стариков Прикладная механика, 1979, № 10 с.58-63.

73. Ясунами м. Теоретические исследования многослойных цилиндров, работающих при высоких давлениях. Кобе Сэйко, Т.10, I960, № I, .

74. Bailey R.W. Thick walled Tubes and Cylinders under High Pressure and Temperatures Ehgug, 1930, p.129

75. Blair I.S.: Stresses in Tubes Due to Internal Pressure, Ehgug, 1950, p.172.

76. Bordman H.C.: Formula for the Desigh of Cylindrical and Spherical Shells to Withstand Uniform Internal Pressure. The Water Tower, 1943, p.30.

77. Brownell / Yong:Process Equipment Design Hew York: Mcgraw Hilf, 1960.

78. Burrows W.R., Michel R., und Rankine A.W.s A.Wal-lthickness Formula for High Pressure, High Temperature.Piping. Trans. ASME, 1954, Nr.3.p.76.

79. Buxton W.I. and Burrows W.R.: Formula for Pipe Thickness. Trans. ASME, 1951, p.73.

80. CookG. and Robertson A.: The Strength of Thick Hollow Cylinders under Internal Pressure. Engug, 1911, p.92.

81. Paupel I.H. and Purbeck A.R.: Influence of Residual Stress on Behavior of Tbick wall closed-end Cylinders.Trans. ASHE, 1953, p.75.

82. Jorgensen S.M.: Overstrain and Bursting Strength on Thick wallod Cylinders. ASME, 1957.

83. Müller K.H.: Pestigkeitsbei-echnung von mehrteiligen Behältern und Rohren. Die Technik, 1961, Heft 7. s. 16.90. liadai A.: Plasticity, Hew York, Mcgraw-Hilf, 1931.

84. Palmer L.D.: Band Reinforced and Layer Built Vessels, British Welding, 1961, Nr. 2.

85. Soderberg C.R.: Interpretation of Greep Tests on Tubes. Trans. ASME, 1941, p.63.

86. Strohmeier K.: Britrag zur Berechnung Zylindrischer Mehr-Lagenbehälter für statische Innendruckbelastung, Teil 1. Knostruktion, 1974, Nr 5, s.26.

87. Wellinger K. und Uebing D.: Pestigkeitsverhalten dickwandiger Hohlzylinder unter Innendruck in vollplastischen Bereich. Hitt. VGB, 1960, Heft 66.

88. Witschakowski ¥.: Ban von Hockdruckbehälfern für die chemische Industrie, Chemie Anlagen-Verfahren, 1971, Nr.9, s.76, 81-84.