Повышение несущей способности сварных цилиндрических оболочек с продольными мягкими швами

УДК 621.791

ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК С ПРОДОЛЬНЫМИ МЯГКИМИ ШВАМИ

Д.М. Шахматов, М.В. Шахматов

INCREASING OF THE BEARING CAPACITY OF WELDED CYLINDRICAL SHELLS WITH LONGITUDINAL SOFT SEAMS

D.M. Shakhmatov, M.V. Shakhmatov

Проведен теоретический анализ прочности бандажированных труб с мягкими продольными швами. Полученные расчетные зависимости позволяют произвести оценку предельного внутреннего давления для рассматриваемых конструкций с учетом параметров намотки бандажа (стальной проволоки), диаметра оболочек и толщины стенки. Даны рекомендации по повышению работоспособности сварных цилиндрических оболочек.

Ключевые слова: цилиндрические оболочки, бандаж, сварные соединения, расчетная оценка прочности.

The article provides a theoretical analysis of the strength of banded pipes with soft longitudinal seams. Obtained calculated dependence allows to evaluate the limit internal pressure for the considered structures as a function of parameters of the band winding (steel wire), shell diameter and wall thickness. The article includes recommendations to improve the performance of welded cylindrical shells.

Keywords: cylindrical shells, bandage, welded joints, calculated evaluation of strength.

Одним из резервов повышения несущей способности цилиндрических оболочек и трубопроводов, работающих при высоком внутреннем давлении, является их усиление посредством намотки на наружную поверхность стальной проволоки, ленты или композиционных систем на основе полимерных материалов [1, 2]. Технология нанесения данных материалов (бандажирование) нашла широкое применение при восстановлении работоспособности отдельных участков трубопроводов в процессе их ремонта, для предотвращения протяженных лавинных разрушений в магистральных газопроводах, при ремонте вертикальных стальных резервуаров и т. д. [3, 4]. Эффективность бан-дажирования в основном определяется величиной предварительного натяжения проволоки или ленты, толщиной обмотки и ее механическими характеристиками, а также характеристиками материала и размерами оболочек [5]. Назначение этих параметров в виде рекомендаций, как правило, определяется исходя из планируемого уровня внутреннего давления в оболочковых конструкциях без учета фактора механической неоднородности их сварных соединений [1, 5-7]. В то же время практика изготовления оболочковых конструкций свидетельствует о том, что их сварным соединениям присуща механическая неоднородность. Например, для сварных оболочковых конструкций, вы-

полненных из высокопрочной стали 12ГН2МФАЮ (среднее значение свт = 889 МПа). Металл продольного сварного шва выполнен под флюсом АН 17М сварочной проволокой Св10НМА (среднее значение свм = 727 МПа). Степень механической неоднородности Кв (отношение временных сопротивлений основного более твердого металла свт и мягкого металла шва свм) Кв = свт / свм = 1,22.

Аналогично для оболочковых конструкций из стали 12Г2СМФ, выполненных сваркой под флюсом сварочной проволокой Св10НМА, степень механической неоднородности составляет Кв = 1,17 [2, 3]. При изготовлении труб с применением высокопроизводительных гибридных способов сварки (лазерной в сочетании с дуговой), с применением сварки токами высокой частоты, контактной сварки в сочетании с дуговой в зоне термического влияния также появляются участки, металл которых по механическим характеристикам может значительно отличаться от характеристик основного металла. В этом случае расчет силовых параметров бандажа и несущей способности оболочковых конструкций должен базироваться на оценке прочности их сварных соединений с учетом фактора механической неоднородности.

Навивка бандажа на наружную поверхность цилиндрических оболочек приводит не только к усилению конструкции, но изменяет соотношение

главных напряжений в стенке рассматриваемых оболочек п = о2т / о/ от его значений п = 0,5 до п = 1, (где о2т и 0]т - напряжения, направленные вдоль и поперек оси трубы соответственно). В связи с этим необходимо определить взаимосвязь п (показателя двухосности) с параметрами навиваемого бандажа. Учитывая, что на практике используются в основном три вида бандажа (стальная проволока, жгуты из стеклопластика и стекловолоконная намотка на связующем компоненте в виде смолы или клея), ограничимся рассмотрением навивки бандажа в виде стальной проволоки. Данный тип бандажа при решении поставленной задачи является обобщающим и при определенных условиях переходит в решение для остальных типов бандажей.

В качестве начальных условий используются основные допущения, аналогичные допущениям работ [1, 6, 8]. При этом главные оси напряжений и деформаций совпадают с главными осями цилиндрической оболочки (в данном случае рассматривается труба); наматываемый профиль расположен перпендикулярно образующей трубы; главные окружные деформации при нагружении бандажи-рованного участка трубы внутренним давлением р в стенке е1 ив обмотке е10 равны между собой е1 = е10; модули упругости и коэффициенты Пуассона для материала обмотки (стальная проволока) и материала трубы (сталь) равны между собой (Ео = Ет, цо = цт = ц). Пределы текучести и прочности материала бандажа выше соответствующих характеристик материала трубы; кольцевые усилия воспринимаются трубой совместно с бандажом, а продольные - только трубой; рассматриваются витки бандажа, расположенные вплотную друг к другу с эквивалентной толщиной Но, под которой понимается высота слоя обмотки, площадь поперечного сечения которой равновелика поперечному сечению профиля обмотки (для проволоки диаметром й0 эквивалентная толщина Ло = (ш10с) / 4, где с - количество слоев навивки).

Следуя алгоритму решения, изложенному в работе [8], и опуская промежуточные выкладки, можно представить выражение для определения несущей способности (максимального давления) сварных цилиндрических оболочек в следующем виде:

ртах = 2пМ / Я,

где оср - предельные напряжения в продольном сварном соединении оболочки, ослабленном мягкой прослойкой; / - толщина стенки оболочки; Я - внутренний радиус оболочки.

Полученное выражение (1) показывает, что несущая способность цилиндрических оболочек, помимо традиционных параметров, зависит от прочности сварных соединений оболочки и параметра двухосности п. При отсутствии бандажа и при Кв = 1 (при равенстве временного сопротивления ов металла шва и основного металла, то есть оср = ов) параметр двухосности для цилиндриче-

ских оболочек п = 0,5. В данном случае зависимость (1) преобразуется в известную «котельную» формулу, представленную решением Лапласа для тонкостенных оболочек. В случае наличия в сварном соединении механической неоднородности значения прочности сварного соединения оср могут быть определены по методикам, изложенным в работе [9]. Например, в случае, когда продольный сварной шов или разупрочненный участок в зоне термического влияния можно представить в виде прямоугольной мягкой прослойки, прочность металла которой - овм, формула для определения несущей способности сварного соединения имеет вид:

оср = Ровм[(1 / Кв) + (Кв - 1)К* / Кв];

К* =

в = 1,154 / [1 + 0,154

где Кх - коэффициент контактного упрочнения «мягкой прослойки», х - ее относительная толщина; Ь - ширина мягкой прослойки. Формула имеет смысл в диапазоне значений относительных толщин мягкой прослойки Хх > х < 1, где Х - относительная толщина прослойки, при которой за счет эффекта контактного упрочнения прочность сварного соединения достигает прочности основного более твердого металла.

Показатель двухосности п в стенке цилиндрической оболочки, усиленной бандажом в виде стальной проволоки, определяется по следующей формуле:

п = 02т / 01т = {1 + [(1 -

- 0,5ц)Л /

где о0п - напряжение от предварительного натяжения стальной проволоки; ц - коэффициент Пуассона; ко - эквивалентная толщина намотки; р - внутреннее давление в оболочке.

При отсутствии предварительного натяжения проволоки, то есть при о0п = 0, выражение (4) преобразуется в зависимость, полученную ранее в работе [8]. В этом случае решение уравнения (1) осуществляется простой подстановкой п и оср. Если бандаж навивается с предварительным натяжением, то есть в формуле (4) появляется составляющая о0п / р, решение уравнения (1) может осуществляться методом итераций. При этом максимальное значение давления, соответствующее потере пластической устойчивости, достигается при п = 1, а разрушение происходит по кольцу.

Если в качестве бандажа обмотки используют жгуты из стеклопластика, материал которых имеет модуль упругости Ео, который отличается от модуля упругости металла оболочки Ет, коэффициенты Пуассона ц по-прежнему одинаковые, а намотка осуществлена без значительного усилия, то можно принять о0п = 0. Параметр двухосности при этом равен [9]:

п = 02т / оГ = 0,5 +

+ [

146

Вестник ЮУрГУ, № 39, 2012

Шахматов Д.М., Шахматов М.В.

Повышение несущей способности сварных цилиндрических оболочек с продольными мягкими швами

На основе теоретического анализа получена расчетная оценка бандажированных труб для цилиндрических оболочковых конструкций с учетом имеющейся механической неоднородности их сварных соединений. Полученное решение позволяет в зависимости от параметров бандажа прогнозировать изменение соотношения главных напряжений в оболочках и значительно (до двух раз) повышать их предельную несущую способность.

Литература

1. Остсемин, А.А К расчету предельного состояния бандажированных труб /А.А. Остсемин, В.Ю. Заварухин // Проблемы прочности. - 1990. -№ 1. - С. 76-82.

2. Безопасность трубопроводов при длительной эксплуатации / К.М. Гумеров, И.Ф. Гладких, М.В. Шахматов и др. - Челябинск: ЦНТИ, 2003. -327 с.

3. Шахматов, М.В. Технология изготовления и расчет сварных оболочек / М.В. Шахматов,

В.В. Ерофеев, В.В. Коваленко. - Уфа: Полиграф-комбинат, 1999. - 272 с.

4. Правила технической эксплуатации резервуаров и инструкция по их ремонту. Утверждены

Госкомнефтепродуктом СССР 26.12.1986. - М.: Недра, 1988. - 120 с.

5. Смирнов, А.И. Об эффективности банда-жирования труб и цилиндрических сосудов /

A.И. Смирнов // Проблемы прочности. - 1983. -№ 12. - С. 77-79.

6. Моношков, А.Н. К оценке прочности бандажированных труб /А.Н. Моношков, В.А. Лупин,

B.И. Кутепова // Проблемы прочности. - 1972. -№ 2. - С. 111-114.

7. Блейхер, Э.М. Использование бандажиро-ванных трубопроводов / Э. М. Блейхер // Транспорт и хранение нефти и газа. - 1977. - № 44. -

C. 5-15.

8. Методические указания к выбору конструкции труб большого диаметра для магистральных трубопроводов / Ю.И. Блинов, А.Н. Моношков, В.А. Лупин и др.; Министерство черной металлургии; Союзтрубосталь; УралНИТИ. - Челябинск: УралНИТИ, 1977. - 44 с.

9. Шахматов, М.В. Прочность механически неоднородных сварных соединений / М.В. Шахматов, Д.М. Шахматов. - Челябинск: ООО «ЦПС Сварка и Контроль». - 2010. - 220 с.

Поступила в редакцию 25 июня 2012 г.