Малоцикловая прочность компенсирующих элементов трубопроводов с винтовыми и кольцевыми гофрами

• Автор: Москвитин, Геннадий Викторович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 341 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧ
НОСТИ И ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОНАГРУ-
ЖЕННЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
1.1 Особенности конструкций и условий эксплуатации тонкостенных
гофрированных компенсирующих элементов трубопроводов, используемых в современном машиностроении
1.1.1 Гибкие металлические рукава
1.1.2 Сильфонные компенсаторы
1.1.3 Самокомпенсирующиеся трубы
1.2 Современное состояние проблемы мало цикловой прочности мате
риалов и элементов конструкций
1.3 Методы оптимального проектирования ответственных элементов
конструкций и деталей машин
1.4 Обзор методов расчетно-экспериментальной оценки малоцикловой
прочности и оптимального проектирования компенсирующих элементов трубопроводов
1.5 Постановки задач теоретического, экспериментального и численно
го исследований
2 СОЗДАНИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕ
СУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОБОЛОЧЕК КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ С ВИНТОВЫМИ И КОЛЬЦЕВЫМИ ГОФРАМИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НЕУПРУГОМ НАГРУЖЕНИИ
2.1 Уравнения состояния конструкционного материала гофрированных
оболочек в условиях эксплуатации
2.2 Критерии потери несущей способности при малоцикловом и дли
тельном малоцикловом нагружении
2.2.1 Деформационно-кинетические критерии малоцикловой
прочности
2.2.2 Аналитический вывод критериального уравнения для уело
вий длительного малоциклового нагружения
2.3 Основные гипотезы и положения по выводу систем дифференци
альных уравнений, определяющих НДС физически нелинейных

гофрированных оболочек с винтовыми и кольцевыми гофрами при циклическом нагружении
2.3.1 Определение геометрических характеристик оболочки вин
тообразной формы
2.3.2 Уравнения равновесия элемента оболочки
2.3.3 Связь деформаций и перемещений точек основной поверх
ности
2.3.4 Соотношения связи напряжений и деформаций за пределами
упругости
2.4 Расчетно-экспериментальные особенности решения
сформулированной задачи
2.5 Основные положения теории многокритериальной оптимизации
применительно к задаче проектирования компенсирующих элементов сложной геометрической формы
2.6 Вопросы автоматизации расчетных исследований и концепция бан
ка данных по механическим характеристикам конструкционных материалов
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И РЕСУРСА ГОФРИРОВАННЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ВИНТОВОЙ И ОСЕВОЙ СИММЕТРИЕЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
3.1 Разрешающая система дифференциальных уравнений
3.1.1 Вывод системы дифференциальных уравнений
3.1.2 Приведение системы дифференциальных уравнений к нор
мальному виду
3.1.3 Решение системы дифференциальных уравнений
3.2 Возможные виды граничных условий (закреплений)
3.3 Метод учета влияния технологического упрочнения на НДС и ма
лоцикловую долговечность компенсирующих элементов
3.3.1 Учет упрочнения на стадии расчета НДС
3.3.2 Учет упрочнения на стадии расчета циклической долговеч
ности
3.4 Алгоритм решения задачи по определению малоцикловой долго
вечности гофрированных оболочек с винтовым гофром
3.5 Вопросы точности разработанного метода

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСНОВ
НЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
4.1 Экспериментальное получение диаграмм деформирования конст
рукционных материалов СК и ГМР
4.2 Результаты экспериментального определения кривых усталости и
значений предельной пластичности материалов СК и ГМР в широком диапазоне температур
4.3 Данные исследования малоцикловых характеристик материалов
самокомпенсирующихся труб
4.4 Реализация концепции, алгоритмов и программ по автоматизиро
ванному банку данных расчетных характеристик конструкционных материалов
5 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВА
НИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ С ВИНТОВЫМИ ГОФРАМИ
5.1 Методика проведения экспериментального исследования и обра
ботки результатов
5.1.1 Экспериментальные образцы
5.1.2 Экспериментальная установка
5.1.3 Проведение испытаний и результаты
5.2 Основные особенности НДС оболочек с винтовым гофром при ма
лоцикловом нагружении. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений долговечности
5.3 Влияние угла подъема гофра на НДС и МП гофрированной оболоч

опорах открытого, теплоизоляционного и засыпанного грунтом трубопровода, а также в условиях отключения неподвижных опор.
Проведенные испытания, а также результаты исследования настоящей работы полностью подтвердили возможность использования самокомпенсирующихся труб для строительства бес-компенсаторных нефте-и мазутопроводов с рабочими температурными перепадами до 100°С и теплотрасс с рабочими температурными перепадами 120 - 150 °С. Положительные результаты, полученные при всесторонних исследованиях самокомпенсирующихся труб, позволили рекомендовать их к промышленному освоению.
Техническая характеристика самокомпенсирующихся труб, рекомендованных для промышленного производства/б/: компенсирующая способность 1,2—1,8 мм/м; рабочее давление 1,6—5,5 МПа; температурный перепад 100—150 °С; диаметр 530—820 мм; толщина стенки б—8 мм; число гофров между спиральными швами 2—3; угол формовки труб 60—70 градусов; высота гофра 30—35 мм; радиус закругления гофра 30—40 мм; материал труб— трубная рулонная горячекатаная сталь марок Ст2сп, СтЗсп, 17Г1С(У), 08Г2СФТ и др., ширина полосы 560—1300 мм; предел прочности 340—570 МПа; предел текучести 100—420 МПа.
Представленный в настоящем разделе материал (а также материал введения) позволяет сделать выводы о том, что рассмотренные конструкции компенсирующих элементов независимо от геометрических параметров можно объединить в один класс: цилиндрические тонкостенные конструкции с кольцевыми и винтовыми гофрами различной геометрии, усиленные оплетками и бронирующими кольцами, в одно-, двух- и многослойном исполнении. Данный класс конструкций изготавливается из широкого класса металлических материалов (нержавеющих сталей, титановых сплавов, трубных сталей и др.). Эксплуатация рассматриваемых компенсирующих элементов трубопроводов происходит под действием кинематических нагрузок (смещение граничных контуров), силовых нагрузок (внутреннее или внешнее давление, сосредоточенные силы) и температурных факторов (низкие, нормальные, повышенные и высокие температуры). Как правило, приложение этих нагрузок имеет явно выраженный циклический характер. Кроме этого материал рассмотренных изделий в наиболее нагруженных зонах может выходить за пределы упругости, что при наличии циклического характера нагрузок ограничивает их ресурс малым числом циклов до разрушения. Отметим, также, что рабочим телом данных элементов, как правило, являются высокотоксичные жидкости и газы, горячая вода и пар, другие агрессивные среды, что повышает требования к надежности методов прогнозирования их прочности и ресурса. Введенный класс конструктивных элементов и будет рассматриваться дальше в настоящей работе.