автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Исследование и разработка универсальных компенсирующих устройств, технологии изготовления и монтажа для трубопроводов и энергетических установок морских и речных судов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Сидоренко Владимир Александрович

РГБ ОД

2 2 7,Ш

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНЫХ

КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ, ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МОНТАЖА ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МОРСКИХ И РЕЧНЫХ СУДОВ

Специальность: 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта и организации судостроительного производства» 05.02.08 «Технология машиностроения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном морском технич ском университете

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Ю.В.Сумеркин.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор В.И.Черненко

Кандидат технических наук, доцент А.Р.Арью

Ведущее предприятие:

ЦНИИТС (Центральный научно-исследовательский институт технологии судо строения)

Защита диссертации состоится « /^-^^^ЕОООг. в « » час

заседании Ученого совета Государственного морского технического университета адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ. Автореферат разослан « гаг 2000г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

А.Н.Муравьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. При создании современных морских и речных судов возникла необходимость в разработке высоконадежных и долговечных конструкций компенсирующих устройств - универсальных многослойных сильфонных компенсаторов, предназначенных для установки в судовых трубопроводах, двигательных и энергетических установках.

Указанные компенсаторы предназначаются для компенсации неточностей монтажа и воспринятия тепловых расширений трубопроводов, гашения вибрации и снижения структурного шума, передаваемого по трубопроводам в водную среду.

Настоящая работа посвящена решению этой актуальной проблеме, в связи с чем представляет собой большую научную и практическую ценность и является перспективной задачей в условиях ожидаемого воссоздания морского и речного флота Российской Федерации.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью настоящей работы является исследование и разработка универсальных конструкций сильфонных компенсаторов (СК), технологии изготовления и монтажа, предназначенных для трубопроводов и энергетических установок морских и речных судов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать существующие в технике конструкции компенсаторов и разработать требования и технические характеристики, предъявляемые к универсальным С К.

2. Разработать новые типовые конструкции универсальных СК - осевой, сдвиговой, шарнирно-поворотной и разгруженной конструкций.

3. Разработать метод расчета универсального шарнирно-поворотного компенсатора и конструктивный расчет компенсатора разгруженной конструкции.

4. Исследовать существующие методы изготовления компенсаторов и разработать наиболее прогрессивный и высокопроизводительный гидравлический способ гофрирования универсальных многослойных сильфонов и С К.

5. Разработать методику и программу исследований и провести всесторонние испытания, гарантирующие надежную и долговечную эксплуатацию разработанных конструкций.

6. Внедрить результаты работы в проектирование и строительство судов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основу исследований составили экспериментальные исследования принципиально новых универсальных конструкций сильфон-ных компенсаторов, а также технологии их изготовления и монтажа. Проведение, с применением современных стендов и аттестованного оборудования, комплексных испытаний на прочность, жесткость, вибро и ударостойкость, виброизоляцию, долговечность и гидродинамические сопротивления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На базе анализа существующих конструкций компенсаторов, уровня достижений современной науки и техники впервые сформулированы технические требования, предъявляемые к компенсаторам и доказана возможность создания принципиально новых универсальных конструкций многослойных СК для трубопроводов морских и речных судов с качественно новыми тактико-техническими характеристиками.

2. Впервые исследованы и построены графики долговечности однослойных и многослойных СК, а также получены зависимости циклической прочности СК в зависимости от применяемой контактно-шовной или аргонодуговой сварки.

3. Впервые созданы новые универсальные конструкции сильфонных компенсаторов, технологические процессы производства и монтажа.

4. Впервые разработан метод расчета универсального сильфонного компенсатора шарнирно-поворотной и разгруженной конструкции, а также уточненный расчет эффективной площади многослойного сильфона.

5. Впервые разработаны методика и программа исследований и проведены всесторонние испытания СК на прочность, жесткость, виброизоляцию, вибрационную и ударную стойкость, а также на гидродинамические сопротивления.

6. Получены и экспериментально подтверждены формулы для определения геометрических параметров обечаек и оснастки для гофрирования многослойных сильфонов.

7. Получены зависимости гидравлического давления от прочностных характеристик материала, диаметра и толщины обечаек при гидроформовании многослойных сильфонов.

8. Впервые получена формула и построены графики зависимости величины мощности пресса от диаметра сильфона при гидроформовании крупногабаритных сильфонов на обычной и полой оснастке.

9. Впервые получены коэффициенты и построены графики гидродинамических сопротивлений и виброизолирующих характеристик универсальных конструкций сильфонных компенсаторов.

10. Установлено, что разработанные конструкции универсальных сильфонных компенсаторов позволяют создавать отечественные суда с более высокими тактико-техническими характеристиками.

Научная новизна и приоритет разработанных универсальных компенсаторов подтверждены тремя авторскими свидетельствами на изобретения и восьмью опубликованными в печати статьями.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены на современных рыбопромысловых судах, супертанкерах и других судах и кораблях принципиально новые высоконадежные универсальные конструкции сильфонных компенсаторов и технология их изготовления, испытания и монтажа.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре ЛДНТП «Разработка и применение сильфонных компенсаторов в технике» (1985г., г.Ленинград), на отраслевом семинаре «Разработка, изготовление и применение сильфонных компенсаторов в судостроении» (1989г., г.Ленинград).

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы опубликованы в восьми печатных статьях и трех изобретениях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы.

Работа представлена на 164 страницах, содержит 60 рисунков, 6 таблиц и 1 приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризованы проблемы, решение которых необходимо для создания и внедрения универсальных компенсирующих устройств.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрен и дан анализ основных конструкций и технологических процессов производства компенсаторов, применяемых в отечественном и зарубежном судостроении.

Установлены границы применения существующих конструкций компенсаторов и отмечаются основные их недостатки.

Установлено, что ни одна из исследуемых конструкций не удовлетворяет предъявляемым требованиям по параметрам, жесткостным, прочностным и весога-баритным характеристикам, а также надежности вибро и ударостойкости, техническому ресурсу, гидродинамическим сопротивлениям и, в связи с этим, не могут быть рекомендованы для применения в трубопроводах и энергетических установках современных морских и речных судов.

Для решения этой проблемы необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать существующие конструкции компенсаторов и разработать требования и технические характеристики, предъявляемые к универсальным СК.

2. Разработать новые типовые конструкции универсальных СК - осевой, сдвиговой, шарнирно-поворотной и разгруженной конструкций.

3. Разработать метод расчета универсального шарнирно-поворотного компенсатора и конструктивный расчет СК разгруженной конструкции.

4. Исследовать существующие методы изготовления компенсаторов и разработать наиболее прогрессивный и высокопроизводительный гидравлический способ гофрирования универсальных многослойных СК.

5. Разработать методику и программу исследований и провести всесторонние испытания, гарантирующие надежную и долговечную эксплуатацию разработанных конструкций.

6. Внедрить результаты работы э проектирование и строительство судов.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ излагаются расчет многослойного сильфона универсального сильфонного компенсатора шарнирно-поворотной конструкции, расчет и

конструирование трехсильфонного универсального компенсатора разгруженной конструкции и расчет эффективной площади сильфона.

Метод расчета многослойного сильфона универсального шарнирно-поворотного компенсатора

Надежность работы СК в значительной степени зависит от правильного расчета основной детали компенсатора многослойного сильфона.

Расчету однослойных сильфонов, нагруженных оссеметричной нагрузкой сжатия и растяжения и внутренним давлением, посвящено значительное количество работ. Метод расчета многослойных сильфонов, нагруженных изгибающим моментом, отсутствует ввиду сложности учета технологических факторов.

Проведенные экспериментальные исследования многослойных сильфонов, нагруженных изгибающим моментом, показали возможность использования метода расчета однослойных сильфонов при расчете напряжений, жесткости на изгиб и перемещений многослойных сильфонов с учетом количества слоев. Поэтому было предложено: расчет многослойного сильфона сводить к расчету однослойного. При этом геометрические параметры поверхности слоя такого сильфона принимать равными параметрам среднего слоя многослойного сильфона, а в полученные расчетные формулы подставить значения количества слоев проектируемого сильфона. Допустимость такого расчета многослойных сильфонов подтверждается корректными экспериментальными исследованиями, показавшими незначительность сил трения между слоями и прямопропорциональную связь между жесткостью сильфона, углом поворота фланцев и числом слоев.

При расчетах удобно заменить реальную форму гофра сильфона расчетной, составленной из простых геометрических поверхностей, которая предложена в работах Э.Л.Аксельрада, Н.М.Савкина. Графоаналитический метод расчета сильфонов. - «Приборы и системы управления», №8,1970г.

Наиболее близка к реальной форма, профиль которой в сечении (рисунок 1а) состоит из дуг окружностей и прямых участков, наклоненных под углом у (угол уплотнения).

Форма такого гофра характеризуется пятью безразмерными параметрами:

• I I/ I' 1 1

5

-"Г ¡зг- К У

■г

я/г •

Рис. 1 - Расчетный профиль гофра сильфона (а), график изменения толщины стенки вдоль длины гофра (б)

T/t; =Vl2(l-v2)

П

2 ж r.

■; R1/R2, v

(1)

где Т, £ — глубина и шаг гофров; у- параметр тонкостенности; V - коэффициент Пуассона;

Ь - радиус условной окружности, длина которой равна П; ГтЬ,т~ РаДиУс сильфона и толщина стенки гофра в точке, лежащей посредине полуволны профиля;

Радиус ут и параметр Ь определяются из выражений:

Ы-Ь

к

Ж-?- 2)

ж Ъ =(/?, + &)

ж

■у

cos^+sinf+l ]+г,

Г •(& + &) (1 + sin ^) cos у

где П- развернутая длина (периметр) одного гофра; /?*, /?2 - радиусы закругления гофра, определяются:

(2)

(3)

где А* и /12-толщина стенки в вершине и во впадине гофра; Внутренний и наружный радиусы:

d+K

Г^Гг + Т +fh-h,

(4)

\

Для приближенных расчетов в формулах (3), (4) можно положить hi = h2 = nh0 = const, где nho - суммарная толщина обечаек.

Параметры и у характеризуют форму кривой профиля одного гоф-

ра. Толщина слоя Л и радиус сильфона при гидравлическом способе изготовления

находятся в следующей зависимости:

Г ~\0-5 г

или h=ho

ho

г )

Го

При других способах изготовления сильфонов зависимость толщины стенки от радиуса иная.

Изменение толщины стенки вдоль гофра характеризуется

параметром £ , пропорциональным длине дуги меридиана гофра (на длине одного гофра £ изменяется на величину 2К £ = 0 - в вершине гофра, £ = ± Я - во впадине).

На рисунке 1 (кривая 16) показана зависимость для сильфонов, изготовленных гидравлическим способом.

Толщина стенки гофра Ьт в точке В =~ определяется из следующих

2

соотношении:

т _ hmx . t, - п oí h<n+h<a+ho,

Л.",/ í ' "ma ~

t\Jt> n

где t(n) = 1,12;

hm'hn'-'hon - толщина стенок трубок-заготовок; n - число слоев сильфона.

При нагружении сильфона изгибающим моментом М напряженно-деформированное состояние симметрично относительно плоскости zy, а компоненты деформаций и напряжений в любой другой меридиональной плоскости связаны с соответствующими величинами в плоскости zy через cos <р или sin <р (рисунок 1а).

Напряженно-деформированное состояние сильфона как оболочки вращения полностью определяется функциями Мейсснера-Лурье, изложеными в работе

В.С.Черниной «Статика тонкостенных оболочек вращения», М., «Наука», 1978г., которые в зависимости от координаты £ могут быть записаны в виде:

где сс0,сс " соответственно углы наклона касательной к поверхности гофра до и

после деформации:

Е - модуль упругости материала сильфона; Тг - окружное усилие в меридиальном сечении;

(- безразмерная координата, пропорциональная длине дуги меридиана Б; в =

Функции ) и Ч> ) определяются в результате решения системы дифференциальных уравнений Мейсснера в тригонометрических рядах и характеризуют все условия, моменты и параметры деформации сильфона.

Методика решений этих уравнений изложена в работе Аксельрада Э.Л. Периодическое решение осесимметричной задачи теории оболочек - «Механика твердого тела», №2,1976г.

По результатам решения системы уравнений находятся меридиональные (у! и окружные (у2 напряжения и соответствующие перемещения и жесткость.

При расчете многослойных сильфонов принимают, что при нагружении их моментом М усилия распределяются равномерно по всем слоям, в этом случае каждый слой будет нагружен моментом

м--*-

п

Тогда в сильфоне, состоящем из п слоев, указанные напряжения определяются по выражениям

>

ь?.

6b h M т//£:ч

к rlh[ b* n

Ti. at=~h ax

>

T,

bJllQ-v2) h M к rlh\ hm n

j

Отношение h/hm берется из графика (см. рисунок 16). Угол поворота концов Ql и жесткость на изгиб См многослойного сильфона с числом гофров z определяются по формулам:

7 П{\-У2)К

П & h/n Г т

М

М nEhlrl

(?)

Qz z\2(\-v2)K0

Расчеты на ЭЦВМ показали, что параметры T/t и fj, являются главными, а £ , R1/R2, у — второстепенными, оказывающими незначительное влияние на напряженно-деформированное состояние гофров.

В выражениях (6) и (7) величины Ч^) и KQ представляют со-

бой разложения в степенные ряды Маклорена по второстепенным параметрам

У =¿-0,15;

с сохранением в разложениях лишь линеиных членов:

VifcSScuf+bZ+OrY

Кв= Sy+c.e' +сЛ +CrY

л

В разложениях (8) величины

определяются в зависимости от основных параметров T/t и ц = —-— по гра-

Л. Ä»

фикам, приведенным в работе.

Для проверки теоретических расчетов по определению жесткостных характеристик и деформаций были проведены экспериментальные исследования сильфо-нов с числом слоев от одного до шести.

Опытные образцы многослойных сильфонов были изготовлены гидравлическим способом по типовой технологии. Материал сильфонов — тонколистовая нержавеющая сталь аустенитного класса 12Х18Н10Т-М (ГОСТ 4986—70) толщиной 0,35 мм. Сильфоны изготовлялись из одно- и многослойные цилиндрических обечаек, вставленных одна в другую. Все сильфоны имели шесть полных гофров.

Испытания на изгиб проводились следующим образом. Испытуемый сильфон с приваренными на концах фланцами устанавливался в шарнирное устройство, после чего фланцы сильфона и шарнирного устройства соединялись. Нижний фланец шарнирно-поворотного компенсатора крепили к неподвижному основанию , на верхний фланец по оси сильфона устанавливали балку под углом 45° к осям шарнирного устройства. На конец балки с плечом I, отсчитываемым от оси сильфона, прикладывали груз. При каждом изменении нагрузки угол поворота верхнего фланца компенсатора измеряли при помощи оптического квадранта типа КО-1М. По полученным данным для каждою сильфона рассчитывали среднеарифметическую жесткость на изгиб.

Испытания показали, что жесткость на изгиб многослойных сильфонов прямо-пропорциональна числу слоев п в сильфоне (рисунок 2), а угол поворота фланцев сильфона увеличивается обратно пропорционально числу слоев сильфона (рисунок 3). В эксперименте трение в осях шарнирного устройства не учитывалось.

Как видно из таблицы 1, результаты расчетов жесткости на изгиб, выполненные по формуле (7) и графикам, почти полностью совпадают с экспериментальными измерениями. Линейная зависимость жесткости на изгиб и угла попорота от числа слоев в многослойном сильфоне указывает на незначительную величину сил трения между слоями. Хорошо согласующиеся данные расчета с экспериментальными измерениями позволяют сделать вывод, что методика расчета однослойных сильфонов применима к расчету многослойных сильфонов с учетом количества слоев.

Ч*

I 3

Рис. 2 - Зависимость жесткости на изгиб от числа слоев многослойного сильфона

Ж~ «3 ев йо ад т ко во"

Нм

Рис. 3 - Зависимость угла поворота фланцев многослойного сильфона от изгибного момента

Таблица 1 -Результаты расчета жесткости на изгиб, выполненные по формулам и полученные при эксперименте

о

Сильфон Одн.сл. Двух Трех Четерех Пяти Шести

Расчет Жесткость на изгиб, Нм/рад 0,094 0,174 0,260 0,364 0,435 0,525

Эксперим. 0,093 0,166 0,268 0,364 0,456 0,566

Расчет и конструирование трехсильфонного универсального компенсатора разгруженной конструкции

Одной из теоретических основ расчета и конструирования трехсильфонного компенсатора разгруженной конструкции является соблюдение формулы или тождества

Д = 1,414Дг (9)

где Д - средний диаметр промежуточного сильфона;

Д - средние диаметры крайних сильфонов.

Вывод формулы представлен в диссертационной работе.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приводятся разработанные требования и характеристики, обосновывается выбор универсальных конструкций многослойных сильфонных компенсаторов, необходимых для установки и эксплуатации в трубопроводах и энергетических установках морских и речных судов.

Установлено, что в процессе эксплуатации СК подвергаются действию внутреннего давления от 0,2 до 6,4 МПа, рабочей температуре от 200 до 700 °К и нагру-жению перемещениями от тепловых деформаций трубопроводов и корпуса судна до 50 мм, динамическим нагрузкам до 30 д, знакопеременным деформациям до 4000 циклов и вибрации до 2000 Гц.

Для выполнения поставленных требований были применены новые материалы повышенной прочности - нержавеющие стали, титановые сплавы и монельме-талл.

Проведены исследования на малоцикловую усталость однослойных и многослойных СК и установлено, что долговечность многослойных СК на порядок выше однослойных компенсаторов.

Учитывая преимущества многослойных сильфонных компенсаторов, по сравнению с однослойными (рисунок 4), а также аргонодуговой сварки по сравнению с контактношовной (рисунок 5), были разработаны новые конструкции универсальных многослойных сильфонных компенсаторов осевой, сдвиговой, шарнирно-поворотной и разгруженной конструкций, для газовыхлопных трубопроводов, трубопроводов

Рис. 4 • Долговечность однослойных и многослойных сильфонных компенсаторов при испытаниях на малоциклическую усталость 1 - многослойные компенсаторы; 2 - многослойные компенсаторы фирмы «Гидра»; 3 - однослойные компенсаторы

Рис. 5 - Долговечность сильфонных компенсаторов в зависимости от способа изготовления обечайки

1 - обечайки, сваренные аргонодуговым способом;

2 - цельнотянутые обечайки;

3 - обечайки, сваренные контактным способом

пресной, морской воду, и нефтепродуктов, а также трубопроводов циркуляционных трасс.

На рисунке 6 приведена одна из разработанных универсальных конструкций многослойного сильфонного компенсатора разгруженной конструкции.

Рис. 6 - Высоконапорный виброизолирующий сильфонный компенсатор разгруженной конструкции

Разработанные конструкции компенсаторов являются универсальными, т.к могут воспринимать значительные и в любой плоскости деформации трубопроводов не передавая распорных усилий на механизмы и опоры, а также обладают высоким! виброизолирующими свойствами, равными I = 15-20 дБ.

Указанные конструкции компенсаторов предназначаются для установки в су довых трубопроводах и системах охлаждения холодильных установок для восприня тия температурных расширений трубопроводов, деформаций корпусных констру» ций, а также гашения вибрации и структурного шума, передаваемого от механизмо и аппаратов в водную среду.

Также разработана новая типовая конструкция сильфонного компенсатор сдвигового типа для высоких и сверхвысоких давлений. Конструкция этих компенсг торов отличается от низконапорных наличием разгрузочных тяг, предназначеннь для воспринятия распорных усилий от давления проводимой среды.

Для увеличения податливости компенсатора и улучшения его виброизолирующих качеств разгрузочные тяги могут изготавливаться из многожильного стального троса, который для повышения коррозионной стойкости оцинковывается.

На рисунке 7 показана конструкция СК сдвиговой конструкции, предназначенная для трубопроводов высоких и сверхвысоких давлений.

-Л

С

.У

Рис. 7 - Сильфонный компенсатор сдвиговой конструкции для сверхвысоких давлений 1 - сильфон; 2 - кольцо бронирующее с перекрытием; 3 - разгрузочная тяга; 4 - шайба шарнирная сферическая; 5 - фланец; 6 - гайка корончатая

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена исследованию и разработке технологии изготовления сильфонов и универсальных сильфонных компенсаторов. Процесс изготовления многослойных С К включает следующие основные операции:

- раскрой и аргонодуговая сварка, сборка обечаек и оснастки для гофрирования;

- гофрирование сильфонов;

- приварку фланцев и наконечников к сильфону;

- сборка компенсаторов;

- испытание компенсаторов.

Многослойные обечайки для гофрирования сильфонов изготавливаются из особотонкостенной ленты или листов нержавеющей стали, титановых сплавов или монельметалла.

По механическим свойствам стали этого типа имеют умеренную прочность (Ув = 52-65 кгс/мм2 при комнатной температуре и высокую пластичность не менее

50%, предел текучести ¡у^ 2 не более 29 кгс/мм2.

Размеры листов-заготовок по высоте обечаек I рассчитываются по формулам:

при формировании сильфонов с фланцами без армирующих колец

при формировании сильфонов без армирующих колец и без фланцев

I =2(Нс+к+кг)+{г-1)кк+{2 ~4)к~5 <и)

где Не - глубина стакана оснастки, мм;

/Ь - расстояние между фланцем и профилирующим кольцом, мм;

Ьг • расстояние между первым и вторым (считая от стаканов) профилирующими кольцами, мм,

г - количество гофров;

Лк - толщина профилирующего кольца, мм;

Лн - расстояние между профилирующими кольцами.

Сварка обечаек производится аргонодуговым способом.

Соединение кромок обечаек - стыковое без разделки кромок. Аргонодуговая сварка обечаек производится неплавящимся электродом. В качестве защитного газа применялся аргон, а для защиты обратной стороны шва - аргоно-водородная смесь. Исследованиями СК на малоцикловую усталость установлено, что многослойные сильфоны, сваренные аргонодуговым методом по долговечности на порядок выше сильфонов, сваренных контактно-шовным методом.

По результатам отработки аргонодуговой сварки обечаек разработаны следующие режимы сварки (таблица 2)

Таблица 2

Толщина Сварочный Напряжение Скорость Расход защитного газа,

материала, ток, А дуги, В сварки, л/мин

мм см/мин Горелка Поддув

0,3 36-42 10-11 170-200 6 6-10

Формование сильфонов диаметрами до Ду 350 производится на гидравлических прессах типа ПГС 350-100 и ПВ с использованием формующих оснасток.

Формование крупногабаритных сильфонов диаметрами до Ду 5000 производится на специальных прессах и полой оснастке. Преимущество применения полой оснастки показаны на графиках рисунка 8. в а

ПРС

г юя

а Гт

г"* £

) 1 т-< -с/ и к

V •п 4 1— г / 4' »у

4 а г 5

9

я»

~2>6н

Рис. 8 - Зависимость усилия пресса от диаметра сильфона и конструкции оснастки 1 - при полой оснастке; 2 - при обычной оснастке

Параметры и режимы формования рассчитываются по формуле с учетом полученных поправочных коэффициентов К на толщину материала

3,6 /у, 8

Л = -Чг—я. (12)

где ¿7/ " предел текучести материала многослойной цилиндрической заготовки, МПа (кгс/см2);

8 - суммарная толщина цилиндрической заготовки, мм; К - коэффициент толщины .при 8 =0,35 мм К = 1,0;

8 ~ 0,5 мм К =1,2;

8 =1,0 мм К =1,5

«/ - внутренний диаметр сильфона, мм.

После операции формования и осадки производится калибровка гофро! сильфона и доведения длины сильфонов до расчетной.

В результате выполненных исследований была разработана технология авто магической сварки сильфонов с концевой арматурой с предварительной контактно шовной обваркой бортиков сильфона.

В процессе отработки автоматической сварки были получены оптимальны режимы, обеспечивающие высокое качество шва, а также разработаны способ) разделки и режимы аргонодуговой приварки фланцев и наконечников к сильфону.

Все СК, детали и сильфоны после изготовления подвергаются очистке обезжириванию с последующей сушкой в термовакуумной камере или нагревом помощью электрического сопротивления.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальным исследованиям универсал! ных сильфонных компенсаторов.

Основной задачей исследований являлось подтверждение выводов, получе! ных теоретическим путем, проверка на стенде и натурных условиях прочности и Ж1 сткости разработанных конструкций СК, материалов гибких элементов, заложеннь технических характеристик, а также определение их надежности и долговечности.

Для проведения исследований были использованы, имеющиеся на предпр ятии стенды и установки, а также изготовлено необходимое количество опытных о' разцов СК.

Проведены предварительные и межведомственные испытания СК в соответствии с разработанной программой 051-385.052ПМ.

Все компенсаторы испытывались на прочность гидравлическим давлением Ррр = 1,5 Ру, а на плотность воздухом давлением Рисп = 0,35 Рраб с погружением в ванну с водой и выдержкой в течение 10 мин.

Установлено, что жесткостные характеристики СК изменяются пропорционально числу слоев в многослойном сильфоне.

Для определения напряженно-деформированного состояния оболочек многослойного сильфона проведены тензометрические исследования и оптическим методом теории упругости. Построены эпюры распределения напряжений на поверхности и в сечении гофров С К, которые не превосходили предела текучести материала.

Проведенные исследования СК на циклическую прочность, а также вибрационные и ударные нагрузки показали их высокую работоспособность, надежность и долговечность в эксплуатационных условиях.

Расчет потери устойчивости СК определялся по откорректированной формуле

А,- - <13)

А/ П Ь Кср

и экспериментальным путем и показал хорошее совпадение.

Установлено, что разработанные СК обладают малым гидравлическим сопротивлением движению рабочей среды, высокой гибкостью, прочностью и надежностью.

Виброизолирующие качества испытанных уравновешенных СК разгруженной конструкции и для сопоставления резинокордных равнялись 1_ > 15-20 дБ.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ приведены исследования по технологии монтажа и допускаемым величинам монтажных деформаций СК. Разработаны принципиальные способы установки разработанных универсальных компенсаторов в судовых трубопроводах.

Отличительной особенностью настоящей работы является комплексное решение всех вопросов, связанных не только с созданием и исследованием новых универсальных конструкций СК и технологических процессов производства и монтажа, но и внедрением их в проектирование и производство.

Выполненная работа доведена до выпуска руководящих технических материалов ТУ5.551-19722-83.

Внедрение разработанных конструкций обеспечивает высокую эксплуатационную надежность судовых трубопроводов и энергетических установок, улучшается вибрационная и ударная стойкость механизмов и системы трубопроводов в целом. Также представляется возможность улучшить компоновку трубопроводов, снизить массогабаритные характеристики систем, особенно при создании наиболее прогрессивного модульно-блочного метода постройки судов и, тем самым, повысить надежность и срок службы в целом.

По величине максимальной компенсирующей способности, малой жесткости, высокой прочности, вибро и ударостойкости, надежности и виброизолирующим качествам разработанные конструкции не имеют себе равных. Это качество делает их незаменимыми в целом ряде конструкций и установок.

Большой запас компенсирующей способности позволяет расширить допуски при монтаже установок, агрегатов и трубопроводов за счет использования компенсирующих устройств в качестве «забойных участков», что резко сократит трудоемкость монтажа трубопроводов и механизмов в затесненных судовых условиях.

Таким образом, можно резюмировать, что большая компенсирующая способность, малая жесткость, вес и габариты, высокая степень надежности и долговечности при относительной простоте конструкции и технологии изготовления выгодно отличают разработанные СК от всех известных конструкций компенсаторов и обеспечивает им растущий спрос не только в судостроении, но и в других отраслях народного хозяйства.

На рисунке 9 показана установка СК на рыбопромысловой базе «Восток» с коридорной прокладкой трубопроводов. Внедрение разработанных СК улучшило ком поновку и схему трубопроводов, уменьшило вес и габариты, сократило сроки и стой мость постройки заказа.

На рисунке 10 показана типовая установка газовыхлопных сильфонных ком пенсаторов на заказах.

На рисунке 11 показана установка СК разгруженной конструкции на циркуля ционной трассе холодильника.

Внедрение разработанных конструкций сильфонных компенсаторов на суда упростило трассировку систем трубопроводов, сократило сроки и стоимость пс стройки заказов и обеспечило надежную и долговечную работу трубопроводов.

Рис. 10 - Схема установки газовыхлопных сильфонных компенсаторов на заказах

2.5

Рис. 11

- Установка крупногабаритных сильфонных компенсаторов разгруженной конструкции на циркуляционной трассе холодильника

г.?

Для обеспечения потребности судостроения и народного хозяйства страны компенсирующими устройствами в отрасли был построен специализированный производственный комплекс, а также создано специальное конструкгорско-технологическое бюро «Компенсатор», задачей которого стало проектирование, изготовление и испытание новых конструкций сильфонных компенсаторов по заказам предприятий отрасли и народного хозяйства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные научные результаты в технологии судостроительного производства, сущность которых заключается в следующем:

1. На базе анализа существующих конструкций компенсаторов, уровня достижений современной науки и техники впервые сформулированы технические требования, предъявляемые к компенсаторам и доказана возможность создания принципиально новых универсальных конструкций многослойных сильфонных компенсаторов (СК) для трубопроводов и энергетических установок морских, речных судов и кораблей с качественно новыми тактико-техническими характеристиками.

2. Впервые разработаны новые типовые конструкции универсальных сильфонных компенсаторов осевой, сдвиговой, шарнирно-поворотной и разгруженной инструкций, предназначенные для установки в судовых трубопроводах.

3. Впервые разработан метод расчета универсального шарнирно-юворотного компенсатора и конструктивный расчет компенсатора разгруженной инструкции и эффективной площади сильфона.

4. Исследованы существующие методы изготовления компенсаторов и впер-¡ые разработан наиболее прогрессивный и высокопроизводительный гидравличе-:кий способ гофрирования универсальных конструкций СК.

5. Впервые разработана методика и программа исследований и проведены сесторонние корректные испытания разработанных конструкций СК на прочность, ¡есткость, вибро и ударостойкость с построением соответствующих графиков, таб-иц, спектрограмм, подтверждающих теоретические выводы и гарантирующие их адежную и долговечную эксплуатацию.

6. Впервые исследованы и получены коэффициенты гидродинамических сопротивлений СК различного конструктивного исполнения и виброизолирующие характеристики разработанных конструкций СК.

7. Разработаны необходимая техническая документация и исследованы принципиальные способы компенсации трубопроводов с включенными в них универсальными СК, технология монтажа, допускаемые величины монтажных деформаций и примеры их установки на заказах.

8. Многолетний опыт безаварийной эксплуатации, разработанных конструкций СК, подтвердил теоретические и экспериментальные выводы, сделанные в работе и показал их высокую эксплуатационную надежность и долговечность.

9. Новизна и приоритет выполненных исследований подтверждены тремя авторскими свидетельствами на изобретения конструкций СК, а также ¡5 -ю статьями, опубликованными в печати.

10. Совокупность выполненных исследований и разработок представляет новое направление в технологии судостроения, позволяющее осуществлять проектирование, строительство и ремонт современных судов с более высокими тактико-техническими характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сидоренко В.А. Разработка, исследование и внедрение конкурентоспособных конструкций многослойных сильфонных компенсаторов, № ДР3669 от 23.04.98 ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, с.7-10, 1998.

2. Сидоренко В.А. Биметаллические многослойные сильфонные компенсаторы с быстроразъемным бугельным соединением. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ДР-3713 от 01.06.99, с.1-10.

3. Сидоренко В.А. Исследование виброизолирующих свойств сильфонных компенсаторов. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ДР-3714 от 01.06.99, с.1-7.

4. Сидоренко В.А. Разгруженные высоконапорные сильфонные компенсаторы для судовых трубопроводов. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ДР-3716 от 10.02.99, с. 1-14.

5. Сидоренко В.А. Металлокомпозитные виброизолирующие многослойные сильфонные компенсаторы. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ДР-3715 от 10.06.99, с.1-8.

6. Сидоренко В.А. Исследования аэродинамических сопротивлений сильфонных компенсаторов. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ДР-3730 от 25.11.99, с.1-12.

7. Сидоренко В.А., Виноградов A.B. Исследование напряженно-деформированного состояния сильфонных компенсаторов методом тензометри-рования. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ДР-3734 от 28.01.2000г. с.1-8.

8. Сидоренко В.А., Виноградов A.B. Конструкции установок и результаты испытаний на виброизоляцию и жесткость крупногабаритных сильфонных компенсаторов для судовых трубопроводов. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ДР-3735 от 28.01.2000, с.1-9.

9. Сидоренко В.А., Комаров В.К. Сильфонный компенсатор, авторское свидетельство № 175312 от 04.05.81г.

10. Сидоренко В.А., Кулухов В.И. Сильфонный компенсатор для трубопроводов, авторское свидетельство № 171503 от 02.04.82г.

11. Сидоренко В.А., Комаров В.К. Многослойный сильфонный компенсатор, авторское свидетельство № 173011 от 03.05.82г.