автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Особенности конструктивной формы и действительная работа многослойных сферических металлических сосудов давления в условиях статического нагружения

Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций имени Н.П.Мельникова,

ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ им.Мепьникова

На правах рукописи

ПОТАПОВ Николай Михайлович

УДК 624.953.04-419

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОЙ ФОРМЫ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНАЯ РАБОТА МНОГОСЛОЙНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СТАТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Центральной ордена Трудового Красного Замени научно-исследовательском и проектном институте строительных металлоконструкций имени Н.П.Мельникова

Научные руководители темы: действительный член АН СССР

Мельников Николай Прокофьевич

доктор физико-математических наук, профессор Малый Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук^ ПРСфВСС,С>р

Одьков Яков Иванович кандидат технических наук Молчанов Алексей Алексеевич

Ведущая организация: ВШШЭФ (Всесоюзный научно-исследова-

тельский институт экспериментальной физики)

Защита состоится 4hjLU40f.il в /Оя О О мин

на заседании специализированного совета Д 033.12.01 по защите диссертаций по специальности 05.23.01 при ЦНИИпроектсталькон-струкции им.Мельникова по адресу: 117393, Москва, ул.Архитектора Власова, 49.

С диссертацией ыожно ознакомиться в библиотеке ЦНИИпроект-стальконструхции им. Мельникова

Автореферат разослан

Просим Вас принять участие в заседании совета при защите и направить Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах в секретариат совета по указанному адресу Учений секретарь специализированного

совета,канд.техн.наук т*С'ВолкоЕа

Актуальность темы. Современное развитие промышленности и энергетики требует создания сосудов диаметром до 16 м и толщиной стенки 400-500 мм, выдерживающих высокие внутренние давления и температуры. Более того, в некоторых новых типах энергетических установок эффект реакции может быть достигнут только при значительных объемах, что потребует создания корпусов с еще большими • диаметрами и толщинами стенки, ввдержившощих как повторно статические, так и импульсные силовые и температурные нагрузки.

Существующие технологические возможности, а также опасность хрзикого разрушения не позволяют изготовлять такие сосуды однослойными штампосварными. Альтернативным вариантом, позволяющим подойти к проблеме создания щэупногабаритного корпуса высокого давления, является многослойная конструктивная форма, применение которой позволит уменьшить опасность хрупкого разрушения и преодолеть технологические трудности, связанные с габаритами конструкции.

В связи с поиском и отработкой новых конструктивных решений, методов и технологий изготовления многослойных щэупногабарктных корпусов высокого давления встает задача выбора лучшей технологии, а следовательно, сравнительной оценки сосудов, изготовленных-различными способами.

Два различных технологических процесса можно оценить, изготовив по ним многослойные сосуды идентичной геометрической формы и сравнив затем их напряженно-деформированные состояния. Однако реальное положение таково, что многослойный сосуд является дорогим уникальны,! сооружением и не может быть изготовлен только с целью исследований его прочности и отработки технологии. Необходимо давать сравнительные оценки конструктивным решениям и технологическим процессам, распологая те™ сосудами, которые нужны заказ-

чику, с условием того, что в дальнейшем они будут переданы в эксплуатацию, т.е. не доводя сосуд до разрушения и, по возможности, не производя над ним операций, ведущих к ухудшению его эксплуатационных свойств, например, сверлений слоев.

Целью диссертационной работы является: на основе экспериментальных и теоретических исследований действительной работы металлической конструкции сферических многослойных сосудов, разработать методику расчета нацряженно-деформированного состояния многослойного сосуда и его осесимметричных узлов, например, многослойных патрубков при статическом нагружении внутренним давлением, учитывающую существенную поперечную податливость, низкую сдвиговую жесткость многослойной стенки и включающую определение условий возникновения возможного расслаивания и проскальзывания слоев относительно друг друга, а также разработать методику сравнительной оценки сосудов различных геометрических размеров и формы, изготовленных по различным технологиям, т.е. методику сравнительной оценки технологий изготовления и дать рекомендации по расчету и конструированию крупногабаритного корпуса высокого давления и его элементов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- установлен характер напряженно-деформированного состояния многослойных сферических сосудов высокого давления, в том числе с многослойными патрубками;

- разработана новая модель физически нелинейного материала, позволяющая учитывать особенности поведения реальной многослойной стенки сосуда высокого давления: нелинейный характер жесткости слоев при их обжатии, нелинейность сдвиговой жесткости и касательных сил, возникающих между слоями, нелинейную зависимость термического сопротивления контактирующих поверхностей от контактного

давления;

- установлен качественный характер, а также найдены численные значения механических характеристик, определяющих податливость и сдвиговую жесткость многослойных пакетов листового проката и дана оценка соответствующих функций для реальной многослойной стенки сосудов высокого давленйя;

- разработана методика сравнительной.оценки технологий изготовления многослойных сосудов высокого давления.

Практическое значение •работы состоит в том, что: - установлена возможность изготовления в условиях отечественного заводского производства негабаритных многослойных сферических сосудов, обладающих необходимым запасом прочности, что открывает возможность приступить к разработке и изготовлению крупногабаритных многослойных корпусов;

- разработанная методика сравнительной оценки технологий изготовления многослойных сосудов высокого давления позволила установить, что можно отдать предпочтение технологии блочной сборки с горячей штамповкой блоков, слои которых' не разбираются после штамповки, в сравнении со способами послойной сборки;

-разработаны новые конструкции элементов и узлов крупногабаритных многослойных корпусов высокого давления;

- даны рекомендации по выбору технологии изготовления, конструированию и расчету крупногабаритных многослойных корпусов высокого давления;

- разработанная методика дает возможность на стадии вариантного проектирования выбирать оптимальное, например, с точки зрения вносимой концентрации напряжений, конструктивное решение осесиммет-ричных узлов многослойных корпусов высокого давления, а также давать сравнительную оценку технологий изготовления и тем самым отра-

батывать технологию, располагая готовыми сосудами, созданными для эксплуатации, а не специально изготовляя для этой цели экспериментальные модели.

Внедрение результатов. Результаты работы внедрены в институте ЦНИИпроектстальконструкция им.Мельникова при расчете, проектировании и изготовлении сферических многослойных сосудов диаметрами 1200 мм, 2400 мм и 3000 мм, а также при расчете и проектировании одноосноразгруженных пакетных конструкций.

На защиту выносятся:

- расчетная модель, описывающая напряженно-деформированное состояние многослойного сосуда в гладкой части и в зонах конструктивной неоднородности, которая учитывает нелинейный характер поперечной жесткости контактирующих слоев, нелинейность сдвиговой жесткости и касательных сил, возникающих медцу слоями, нелинейность зависимости термического сопротивления контактирующих поверхностей от контактного давления;

- методика расчета напряженно-деформированного состояния многослойных сосудов высокого давления и их осесимметричных элементов, например, многослойных патрубков, позволяющая учесть низкую сдвиговую жесткость и сильную поперечную податливость многослойной стенки, а также определить условия расслаивания и проскальзывания слоев относительно друг друга;

- результаты экспериментальных исследований на сжатие и сдвиг многослойных плоских пакетов листовой прокатной стали;

- методика определения механических характеристик податливости и сдвиговой жесткости плоских пакетов листовой прокатной стали, обще закономерности поведения, а также численные значения этих функций, позволяющие оценить соответствующие функции реальной многослойной стенки сосуда высокого давления;

- результаты анализа экспериментальных исследований многослойных сферических сосудов диаметрами 1200 мм и 3000 км с многослойными патрубками и диаметром 2400 мм со сплошностенчатым патрубком;

- методика сравнительной оценки многослойных сосудов различной геометрической формы и размеров, изготовленных по различным технологиям, т.е. методика сравнительной оценки технологий изготовления;

- результаты сравнительной оценки конструктивных решений и технологий изготовления многослойных сосудов диаметрами 1200 ш, ¿400 мм и 3000 ил;

- технические решения элементов и узлов многослойных крупногабаритных корпусов высокого давлен:х.

Апробация работы. Оскоьные результаты работы докладывались и обсундались:

- на У11 научно-технической конференции молодых специалистов Всесоюзного объединения "Союзметаллостройншшроект" (г.Череповец, 1980г.);

- на У111 научно-технической конференции молодых специалистов Всесоюзного объединения "Союзметаллостройниипроект" "Повышение эффективности и совершенствование исследований, проектирования, изготовления и монтажа строительных металлоконструкций" (г.Молодечно, 1983г.);

- на четвертой Украинской республиканской научно-технической конференции по металлическим конструкциям "Развитие, совершенствование и реконструкция специальных сварных стальных конструкций зданий и сооружений" (г.г.Симферополь, Черноморск, 1988г.);

- на заседании секции НТС ЦНШпроектстальконструкция ш.Мельникова "Теоретические исследования" (г.Москва, 1992г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, рекомендаций по конструированию и расчету; заключения и списка литературы. Содержит 208 страниц, в том числе 130 страниц машинописного текста, 2 таблицы, 59 рисунков и список использованной литературы, включающий 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и ее научная новизна.

В первом разделе проанализированы существующие конструкции и технологии изготовления многослойных сосудов высокого давления, а также известные конструктивные предложения. Весь анализ проведен с точки зрения возможности их применения при конструировании крупногабаритных многослойных корпусов высокого давления.

Реально применяемые многослойные сосуды высокого давления можно по цринципу расположения слоев разделить на две большие группы: сосуды со спиральным расположением слоев и сосуды с концентрическим расположением слоев. Наибольшее распространение в СНГ и некоторых других странах, например, Японии получили в связи с простотой и дешевизной изготовления рулонированные из широких полотнищ многослойные сосуды. Сосуды, полученные путем навивки узкой профилированной или гладкой ленты также достаточно хорошо разработаны и широко применяются различными странами в химической и нефтехимической промышленности. Однако, применение для крупногабаритного корпуса конструктивной формы со спиральным расположением слоев в условиях требований повышенной надежности осложняется из-

за трудности устройства равнопрочных боковых вводов и сварки двух обечаек между собой, зависимости герметичности сосуда от прочности центральной трубы, резкого увеличения суммарного межсловного зазора при больших толщинах стенки, вследствие роста количества слоев.

Сосуды с концентрически расположенными слоями изготовляются либо послойным наращиванием толщины стенки, либо из многослойных блоков, сваренных между собой послойно собираемыми монтажными вставками. Как показал анализ, опыт изготовления многослойных сосудов с концентрическим расположением слоев можно использовать при создании крупногабаритных корпусов, решив следующие задачи:

- обеспечения минимальных контролируемых межсловных зазоров;

- разработки конструкций вводов, опорных узлов и других элементов сложной геометрической формы, не приводящих к резкому изменению жесткости стенки.

Во втором разделе сформулированы положения, отражающие специфические особенности работы многослойных конструкций, которые необходимо учитывать при расчете. Отмечено, что предлагаемые различными авторами методики и подходы к расчету можно принципиально разделить на две группы.

Методики первой группы основаны на дискретном подходе к описанию многослойной оболочки, т.е. заключаются в совместном решении уравнений равновесия каждого слоя при тех или иных граничных условиях, зависящих от способа и технологии изготовления сооуда и допущений, принимаемых автором методики. Например, в работах Кокса, Ыанинга, Беккера и Ыалликома рассматривались толстостенные оболочки, собранные с натягом из идеально контактирующих слоев, т.е. не учитывались зазоры между слоями и контактная податливость стенки, но каждый слой нагружался контактным давлением от горячей посадки. В работах М.И.Бейлина и Е.Л.Либиной, С.А.Вильница, японских авто-

ров многослойная стенка рассматривалась как совокупность тонких оболочек в условиях идеального контакта и равномерно распределенных зазоров. Их методики были расчитаны на сосуды с концентрическим расположением слоев. Обширные теоретические доследования многослойных рулснированных сосудов проведены П.Г.Пыллтейном, Е.Г.Еор-суком, Л.Б.Цбиком в самостоятельных работах и с соавторами. П.Г.Пимштейном впервые разработана методика расчета рулонкрован-ных сосудов с учетом нелинейной контактной податдзсзсси:, чат&п» слоев при навивке и свл трения мэзду слоями. В работах Г.СЛиса-ренко, А.Е.Бабенко, Л.А.Ильина, Н.А.Лобковой рассматривается возможность проскальзывания слоев рулон;:осванной оболочки.

Другой подход заключается в том, что многослойная стенка заменяется некоторым сплаинш материалом с приведенными механическими характеристика:;!::. Впервые такой подход при определении напряженно-деформированного состояния шогослоЗнш: штьлшяс-скис сосудов высокого давления бил предложен в работа:; Н.П.Мельникова з автора. Применительно к рулонированнш сосудам такой подход ис-. пользовали Л.А.Ильин, Н.А.Лобкова, В^Н.Нехотящий и Н.П.Стариков, а также В.л.Гордеев, ¡¿.А.шпккгаренко и А.В.Перельмугер. Многослойную рулонированную оболочку они рассматривали как трехслойный цилиндр, внутренний и наружный слои которого, соответствующие центральной трубе и кожуху, изотропны, а навивка заменяется сплошным слоем с анизотропными свойствами. Стоит отметить, что идея замены слоистой оболочки, например, изготовленной из большого числа слоев стеклоткани, связанной полимерной массой, фиктивной, изготовленной из некоторого условного однородного материала, давно известна и довольно широко применяется. Известна тает® идея энергетического "размазывания", предложенная В.В.Болотиным в работах по слоистым оболочкам, состоящим из чередующихся мягких и нестких слоев.

В этой главе предложена модель физически нелинейного матери-

ала, позволяющая учитывать особенности поведения реальной многослойной стенки сосуда высокого давления: нелинейный характер жесткости слоев при их обжатии, нелинейность сдвиговой жесткости и касательных сил, возникающих между слоями, нелинейную зависимость термического сопротивления контактирующих поверхностей от контактного давления. Учитывая, что для решения поставленной в диссертации задачи необходимо разработать методику расчета напряженно- деформированного состояния крупногабаритного корпуса высокого давления, стенка которого имеет значительную толщину и может состоять из нескольких десятков слоев, мы считали рациональным при рассмотрении неодномерных задач принять гипотезы для всей стенки, не рассматривая уравнения равновесия каждого отдельного слоя.

Суть предлагаемой модели заключается в следующем. Рассматривая многослойную стенку сосуда высокого давления как пакет, состоящей из изотропных металлических слоев, и считая, что толщина слоев мала, а число их значительно, заменяем многослойный пакет некоторым сплошным трансверсально изотропным материалом с приведенными упругими характеристика!,га. Введя ортогональную систему координат (ОС , ^ - в плоскости слоев), считаем, что при действии напряжений , (5ц* » ^"хи слои Дефор-

с

мируются независимо друг от друга с упругими характеристиками с1 и , совпадающими с соответствующими константами металла слоя. Трансверсальные упругие характеристики Е2 , , связаны

с технологией изготовления многослойного пакета, т.е. в существенной мере определяются погнутостью слоев и шероховатостью контактирующих поверхностей. Считаем, что они зависят только от компоненты напряжения б^ :Ег=Б£(6^') Таким образом, представляем связь между напряжениями и деформациями в виде:

где

б; А

с»

V

С-ос,

Уиг

ахг

V Ух?

[0]=с

14(1+У4) ООО

Е £

(9 0

О О

1Ш+И) (Ч+-М) ООО

О

О

О

о

о

&& о о е2с

м

Ба0

0-^0

о о

1

_E^

Выписанные соотношения справедливы, конечно, в случае

Бдесь же высказывается предположение, что деформации пакета 6-х. и при действии одного напряг ни! 6г совпадают с

аналогичными деформациями сплошного металла, т.о.

ч _ и

т - Т (2)

42. [-1

ото утверждение проверено экспериментально в разделе 3. Аналогичное утверждение независимо было высказано Ф.Ы.Бородичем.

Так как в реальной многослойной стенке сосуда возможно расслаивание, а также при достижении тангенциальными силами некоторых предельных значений проскальзывание слоев друг относительно друга, на тангенциальные напряжения наложены дополнительные усло-

вия:

при в; < о

при

6Г = 0 / — О

£,«14 УК) (3)

/ т:« -

I =

' т,а = о

Кроме того, при ^ > ЧТ!:) соответствует расслоению пакета, напряжения в плоскости слоев ( ОС , ^ ) задаются соотношениями плоского напряженного состояния, т.е. в.иатрице £01 ненулевые элементы имеют вид:

Принято, что тепловые свойства модели определяются трем коэффициентами теплопроводности: с, ¿-у , , где и

совпадают с соответствующими коэффициентами материала слоя, а - является функцией напряжения <3^ , т.е.оС-^ — .

Эта функция может существенно зависеть от технологии изготовления шогослойного пакета.

Далее в этом разделе дается постановка второй краевой термоупругой задачи для шогослойного тела и реализуется методом конечных элементов решение упругой задачи определения напрякенно-

деформированного состояния многослойного сферического сосуда высокого давления и его осесимметричных элементов, в частности, зон патрубков многослойных сферических сосудов диаметрами 2400 мм и 3000 мм.

В третьем разделе рассматриваются вопросы количественной оценки и определения характера зависимости функций Е^ОЗ?) , l^fäy), G~2 (§) , . введенных вс второй главе при описании модели.

С этой целью были проведены эксперименты на сжатие и сдвиг многослойных пакетов, набранных из плоских образцов листовой прокатной стали, Очевидно, что наеденные в экспериментах на плоских пакетах функции нельзя безоговорочно применять при расчете нап,жженного состояния многослойных сосудов. Тем не менее, простейшие эксперименты на сжатие и сдвиг многослойных пакетов позволяют оценить порядок величин этих функций для многослойного сосуда, а также прогнозировать характер их зависимости от внутреннего давления.

Впервые в связи с изучением многослойных сосудов (рулониро-ванных) экспериментальное исследование податливости при сжатии многослойных пакетов пластин листового проката было проведено П.Г.Пимштейном и В.НДуковой. Затем такие исследования проводились Е.Г.Борсуком, М.Н.Краснощековым и А.А.Савицкой, В.В.Ларионовым и М.Я.Пимкиным, А.А.Тылициным, Ф.Ы.Бородичем. £ этих работах сближение контактирующих поверхностей в зависимости от контактного давления описывали стеленной с двумя параметрам, дробно-степенной с тремя параметрами, степенной с дополнительными параметрами функциями.

После проведенного анализа известных работ оставались неясными следующие вопросы: характер зависимости кривой деформирования от площади образцов, количества слоев в пакете, истории наг-ружения; возможность описания ее степенной функцией при различных площадях образцов в широком диапазоне прикладываемых давле-

ний; необходимо было выяснить являются ли функции E¿ и независимыми. Аналогичные вопросы возникали в отношении сдвиговых характеристик ^ и ^

Исследования проводили на многослойных пакетах, набранных из листовой прокатной стали ЮХСНД толарзюй 6 мм и стали Ст.З

толщиной 6 ш и 20 мм. Пластины в различных пакетах имели площадь'

2 2 2 20см , 40см , и 80см . Их количество в пакете варьировалось от 3

до 79. Дня определения характеристик податливости Н2 , на_ бирали многослойный пакет из круглых пластин и сжимали его давлением . Продольные деформации измеряли индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Для определения поперечной деформации ¿¿¿= Еу. на торец среднего слоя пакета наклеивали 3-4 тензодатчика с базой 5 ш. Секущий модуль Ег(6г) получали как

сг

Для коэффициента Пуассона^проверяли соотношение (2), т.е. возможность вычислять его по формуле:

\)г = -Щ^- (5)

Кривые деформирования пакета при снатии О^ ^ можно

разбить на два участка. Начальный участок (для исследованных пакетов примерно до давления =5,0 МПа) сильно различается для образцов разл:лной площади и дане для различных образцов, тлеющих одинаковую площадь. Второй участок кривых деформирования (при давлениях, больших =5,0 Ша) практически не зависит от площади образцов и количества слоев в пакете. В этой связи сделано предположение, что при давлениях (£^ вклад в кривые деформирования в основном дают неровности и шероховатости поверхностей

слоев, а совпадение вторых участков диаграмм для различным образом подготовленных образцов дает основание использовать полученные в этой области нагрузок зависимости при расчетах сосудов. При < вклад в кривые деформирования идет, в основном, за счет погнутости, серповидности листов, которые существенно зависят от технологии и аккуратности приготовления пакета,поэтому трудно ожидать, чтобы начальные участки диаграмм сзкатия можно было переносить с образцов на натуру. Таким образом, деформацию при сжатии пакета давлением , болшим представляем в виде:

т)=Е0+гм)'> £*(£)=о

где - деформация пакета при давлении (5^ и различна дош

пакетов, отличающихся площадью пластин и технологией их изготовления; величина не зависит от площади образцов, количества слоев, технологии изготовления пластин и развивается при давлениях, болших (5о .

Семейство кривых (6) аппроксимировали степенной функцией

¿=Аб?-Аб?+е о (7)

Параметры А и ¿С находили, обрабатывая нетодом наипенкшх квадратов экспериментальные точки, полученные испытанием всех пакетов из каждого конкретного вида проката.

При ^ кривую деформирования задавали степенной функцией

е = в б; (8)

для которой параметры в и ^ определяли по условию непрерывности кривой деформирования и ее производной при — .

Дош определения С5 набирали многослойный па1сет из квадратных пластин. Сжимали его .давлением ж прикладывали к

среднему слою в пакете ступенями увеличивающуюся горизонтальную силу Я . При этом нижний и верхний слои пакета фиксировали от горизонтального сдвига. Горизонтальное перемещение среднего слоя пакета имеет две составляющие:

% , (9)

где ¿^ - представляет перемещение среднего слоя, вызванное действием касательного напряжения — ¥/(2.$) , а ~ опре-

деляется из решения задачи об изгибе защемленного на концах сжатого стержня, нагруженного поперечной силой, приложенной посередине.

Построив при разл^гчньк зависимости ^ V, где У -относительны!! сдвиг среднего слоя пакета, получали для секущего модуля сдвига:

&г = ~у (Ю)

аналогично, определяли максимальное касательное напряжение мб:.ду слоями ^У(б^) , как отношение предельной силы ^тя-х . при которой начинается проскальзнгаксе к удвоенной площади образца:

п® = ™

Экспериментальные течки, построенные в коордккатах /EГ''W V дош камдого конкретного исследованного проката при каждом определенном сжимающем давлении, ложатся на параллельные прямые, наклон которых не зависит от количества слоев и площади пластин в многослойных пакетах. Семейство этих прямых представляли в виде

% - Ь V -ь М , <12>

где коэффициент 1_1 совпадает с модулей сдвига при конкретном давлении . Зависимость 0~г аппроксимировали степенной функцией. Зависимость у л-также аппроксимировали степенной функцией,

В четвертом разделе представлены и цроанализированы результаты экспериментальных исследований сферических многослойных сосудов диаметрами 1200 ш, 2400 ш и 3000 мм, изготовленных по различным технологиям.

Разработана методика сравнительной оценки многослойных сосудов и проведена сравнительная оценка испытанных, сосудов.

Проведенный в разделе I анализ применяемых на практике конструктивных решений многослойных сосудов высокого давления показал, что большинство из них относится к цилиндрическим сосудам и можно привести лишь единичные примеры практического применения сферических сосудов. То же самое можно сказать об экспериментальных исследованиях. Наиболее полно в литературе вследствие широкого применения в химической и нефтехимической промышленности, представлены экспериментальные исследования цилиндрических сосудов, изготовленных методом рулонирования из широки полотнищ или навивкой узкой ленты.

Сосуды диметром 1200 мм состояли из чегырехслойных полусфер (толщуша слоя - 6 мм), каждая из которых имела в своем полюсе че-тырехслойный патрубок. По экватору полусферы соединены с помощью монтажных .вставок. Каждая полусфера была собрана из десяти одинаковых четырехслойных блоков.

Шестислойный сосуд диаметром 3000 мм (толщина слоя - 12 мм) имел аналогичную конструкцию.

Сосуд диаметром 2400 мм существенно отличался конструктивно и по технологии изготовления. Его отличительной особенностью было то, что сосуд собирали из двух многослойных полусферических днищ,

целпко:.! от !ТбиШО£акннх горячие способов 1.3 дъскоьнх заготовок. Папуа!еры соединялись мезду собой по экватору с помощью ¡.«штанной вставки. Оболочки иглели толщину слоев, начиная с внутреннего: 60, 30, 40 и 60 ш. Верхняя полусфера была снабжена горловиной диаметром 400 мл, выполненной из поковки и приваренной к четкрех-слойноп полусфере специальны!,: ступенчатым швом.

Все сосуды были испытаны путем нагружения повторно-статическим давлением. Рабочее и пробное давление принимали по существу-адш для сплодностенчатых сосудов нормам, нагрузнение сосудов осу-щестзлялп водой, повшая дазление отупев»®. Ступени бит объединены в цггклн нагрудения и разгрузки.

.Для срааййния был испытан снлошностенчаткй сосуд диаметром 1200 мм геометрически эквивалентный соответствующим многослошш моделям.

¿оа о^лацнп на нару.-но-. л внутренней поверхностях сосудоь .^.тодоа теьзэ^уйрэьаЕ-я с помощью тензорезкето^о-о типа й^из-Юг-ЮСТд) Топкшского изхашяеского завода, В каздок контролируемой точке устанавливали прямоугольную розетку с тензорезкс-торами в кольцевом и меридиональном направлениях.

В результате экспериментальных исследований установлено:

- деформации внутреннего и наружного слоев связаны с внутренним давлением нелинейно;

- опрессовка давлением ? = 1,4-1,5 ?>аС5 (Р-.-аб определялось как для сплошное! енчатого сосуда) оказноает Еначтелыгсе влияние г.а напряженно-деформированное состояние многослойных сосудов в отличие от сшгошностенчатого;

- значительно меньшая сдвиговая жесткость многослойной стенки, чем сплошной, послужила причиной высоких деформаций в зонах нарушения заданной геометрической формы и зонах резкого изменения жесткостей стыкуемых элементов, а таете явилась гричп-гой прквди-

пиального различия напряженно-деформированного состояния многослойного и сплошностенчатого патрубков в торовой части. Так, меридиональные деформации на наружной поверхности в торовой части многослойного патрубка сосуда диаметром 1200 ил в два раза превышают соответственные деформации сплолностенчатого патрубка и больле кольцевых; меридиональные деформации на внутренней поверхности в торовой части многослойного патрубка отрицательны и по абсолютной величине более чем в два раза превышают соответствующие деформации сплошностенчатого патрубка;

- негабаритные многослойные сферические сосуды, изготовленные в условиях современного отечественного заводского производства обладают необходимым запасом прочности, что открывает возмодшость приступить к разработке и изготовлению крупногабаритных многослойных корпусов.

В этом же разделе разработана методика сравнительной оценки многослойных сосудов различной конструкции^ изготовленных с использованием различных технологий. По аналогии с характером поведения многослойных пакетов считали, что величина обжатия многослойной стенки сосуда, нагруженного внутренним давлением Р, определяется следующими двумя факторами: собственно мекслойнкыи зазорами, зависящими от технологии изготовления сосуда и неровностями и шероховатостями, присущими листовому прокату. Таким образом, представляли поперечную деформацию стенки сосуда, нагруженного давлением Р, аналогично (6) в виде:

£(р) = е0 + е,(Р) , да)

где величина £0 не может определяться в экспериментах с плоскими пакетами, так как зависит от той части межслойных зазоров, которая

связана с технологией изготовления сосуда; - обусловлена свойствами контактирующих поверхностей. Итак, модно заклинить, что собственно мо.шлопнке зазоры больше а то;« сосуде, в стенке которого при заданном давлении Р болкле величина деформации £0 и, следовательно, такой сосуд можно считать менее качественным, а величину £0 рассматривать как параметр при сравнительной оценке многослойных сосудов.

Сравнительную оценку многослойных сосудов, изготовленных с использованием различных технологий и применением различных конструктивных решений проводили следующим образом. Пользуясь кривыми деформирования, найденными в экспериментах на плоских пакетах листового проката, определяли расчетом по разработанной в разделе 2 методике напряженное состояние сосуда при давлении Р для ряда значений параметра £0 . Строили кривые £-0 напряжений на внутренней и наружной поверхностях для каждого сосуда в зависимости от параметра £0 . Нанеся затем средние экспериментальные значения напряжений внутренней и наружной поверхностей, найденных в экспериментах на гидравлическое нагружение сосуда,на полученные в результате расчета кривые б"¿. , находили два значения £0, соответствующие экспериментальный напряжениям наружной и внутренней поверхностей. Осредняя эти значения, получали среднее при давлении Р значение деформации £0 данного сосуда, связанной с технологией изготовления.

По разработанной методике проведена сравнительная оценка испытанных многослойных сосудов,в результате чего установлено, что технологии блочной сборки с горячей штамповкой.блоков, слои которых не разбираются после штамповки, примененной при изготовлении сосуда диаметром 2400 мм, нужно отдать предпочтение в сравнении со способами послойной сборки, реализованными при изготовлении сосудов диаметрами 1200 мм и 3000 мм, так как она обеспечивает

значительно меньшее значение параметра .

3 пятом 'разделе разработаны технические ьр^яогеакк патрубков, штуцеров, люков, опорных узлов, ьэнтажных блоков (на часть из них получены авторские свидетельства), которые молю принять за осиозу при конструировании многослойных крупногабаритных сосудов высокого давления.

Разрабатывая конструктивную форму многослойного корпуса высокого давления, бил.-; приняты совместно с акадешжоы Н.П.Мельниковым слбдуицьо основные положения:

1) все сварные соединения конструируются как разнесенный;

2) патрубки, лтуцеры, люки, опорные узлы и другое элементы слюнок геометрической формы должны конструироваться иногослойншя.

Согласно этим положениям, разработаны технические решения сферических многослойных корпусов диаметрами 12000 мы и 16000 мм.

ЙАШШЧЫШЕ

1. На основании анализа применяющихся на практике конструкций сосудов высокого давления и технологы'1 их изготовления установлено, что многослойная конструктивная форма - перспективный вариант решения крупногабаритного корпуса, так как ее применение позволяет преодолеть технологические трудности, связанные с габарита»,в: конструкции и уменьшить опасность хрупкого разрушения.

2. Б результате экспериментальных исследований многослойных сферически сосудов диаметрами 1200 мм, 2400 мм и 3000 ш доказана необходимость учета в расчетной модели трехмерности наиряженно-де-формированного состояния многослойной стенки, возникающего вследствие ее сильной поперечной податливости, а также учета ее низкой сдвиговой жесткости.

3. Разработана модель физически нелинейного материала, .поз-

воляюцая учитывать особенности поведения реальной многослойной стенки сосуда высокого давления: нелинейный характер жесткости слоев при их обжатии; нелинейность сдвиговой жесткости и касательных сил, возникающих мегду слоями; нелинейную зависимость термического сопротивления контактирующих поверхностей от контактного давления.

4. Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния многослойных сосудов высокого давления и их осесим-метричных узлов методом конечного элемента. Методика реализована

в виде программы на алгоритмическом языке HJI-I для машины EC-I060.

5. В результате экспериментов на сжатие и сдвиг многослойных пакетов плоских образцов листовой прокатной стали установлен качественный характер, а также найдены численные значения механических характеристик, определяющих податливость и сдвиговую жесткость многослойных пакетов листового проката и дана оценка соответствующим функциям реальной многослойной стенки сосудов высокого давления.-

6. Разработана методика сравнительной опенки технологий изготовления многослойных корпусов высоксгс давления и дани сравнительные оценки исследованным сосудам, в результате чего установлено, что технологии блочной сборки с горячей штамповкой блоков, слои которых не разбираются после штамповки, нужно отдать предпочтение

в сравнении со способами послойной сборки.

7. Разработаны рекомендации по выбору технологии изготовления, конструированию и расчету крупногабаритных многослойных корпусов высокого давления.

*

Основное содержание диссертации опубликовано в следукждех работах.

I. Потапов U.M. Расчетная модель многослойного тела, учитываю-

щая проскальзывание мевду слоями // Проектирование металлических конструкций. Сер. 17: Инф.реф.сб. / ЦШЖС Госстроя СССР,- Ы.- 1977.-Вып.3(65).- С.27-31.

2. Потапов Н.М. Экспериментальные исследования многослойных сферических сосудов // Проектирование металлических конструкций. Сер. 17: Инф.реф.сб. / ЩШИС Госстроя £ССР.- М.- IS78.- Вып.6(84).-С.2-6.

3. Мельников Н.П., Потапов II.M. Об одной модели расчета многослойных сосудов высокого давления, - Ы,- IS78.- 18с.- Рукопись представлена ин-том ЦНИИпроектстальконструкция. Деп. ЦИНИС Госстроя СССР, - а 1292.

4. Мельников Н.П., Потапов Н.М. Об одной физической модели, учитывающей действительную работу многослойных сосудов высокого давления // Строит, мех. и расчет сооружений,- 1980.- ü 2.-С.10-15.

5. Малый В.И., Бормот Ю.Д., Потапов Н.М. Устойчивость плоской формы листового пакета с учетом поперечного обжатия // Исследование прочности и надежности конструкций энергетических установок

и специальных сооружений: Сб.научн.тр. / ЦНИИпроектстальконструк-ция им.Мельникова, - М,- 1987,- С.70-75.

6. Ларионов В.В., Малый В.И., Потапов Н.М. Исследование параметров деформирования и методика сравнительной оценки технологий изготовления многослойных сосудов высокого давления,- М.- IS87.-23с.- Рукопись представлена ин-том ЦНИИпроектстальконструкция

им.Мельникова. Деп. в ВНИИИС. - № 8748.

7. Ларионов-В.В., Малый В.И., Потапов Н.М. Методика сравнительной оценки технологий изготовления многослойных сосудов высокого давления: Тезисы доклада // Развитие, совершенствование и реконструкция специальных сварных стальных конструкции зданий и сооружений. Четвертая Украинская респ. научно-техн.конф. по ме-