Экспериментальная проверка расчета линзовых компенсаторов по методике Е. А. Палатникова
Компенсаторы являются составным элементом оболочки аппаратов и трубопроводов, несущим основную нагрузку — давление. В результате компенсации механического перемещения они подвергаются растяжению, сжатию или изгибу, что вызывает дополнительный изгиб гибного элемента. С целью повышения гибкости компенсаторов его стенки стремятся выполнить возможно тоньше (обычно толщина не превышает 4... 5 мм). Из этого можно сделать вывод о весьма высокой нагруженности компенсатора и необходимости тщательного его расчета с целью обеспечения соответствующей прочности и долговечности.
Однако компенсаторы до настоящего времени не включены во многие существующие расчетно-нормативные материалы для сосудов, аппаратов и трубопроводов, и поэтому их расчет проводится по различным частным методикам. Число существующих методов расчета компенсаторов достаточно велико, причем используемые расчетные схемы, пути математического решения, допускаемые гипотезы и упрощения весьма разнообразны, что приводит к различной точности расчетов.
На практике в машиностроении применяют различные, не всегда оптимальные методы расчета. Использование той или иной методики часто определяется сложившимися традициями, простотой расчета, а не его достоверностью. Так, в энергетическом, химическом, нефтяном машиностроении получила распространение методика расчета С. Н. Соколова, имеющая ряд существенных недостатков [4] Она не дает возможности определить напряженное состояние линзы, а следовательно, и ее прочность, не учитывает мало-цикловой характер работы и т. д.
Выбор же оптимальной методики расчета на прочность компенсаторов затруднен недостаточностью экспериментального их обоснования и, следовательно, знания их точности. Число методик расчета в настоящее время явно преобладает над числом работ, посвященным экспериментальному обоснованию методов расчета. В настоящей работе проведено подробное экспериментальное обоснование точности одного из предпочтительных методов, разработанного Е. А. Па-латниковым. Приведенные экспериментальные данные напряжений в компенсаторах различных диаметров могут быть использованы для сравнения точности расчетов и других методик.
Наиболее строгое и точное решение задачи по определению напряженно-деформированного состояния линзового компенсатора, выполненное в работах В. И. Феодосьева, В. В. Новожилова и Е. Ф. Зеленовой, может быть получено на основе теории тонких упругих оболочек Однако эти решения отличаются большой сложностью. Поэтому целесообразно обращение к расчетным схемам, включающим уже исследованные тонкостенные элементы оболочек или бруса. Одной из таких работ является методика расчета, предложенная Е. А. Палатниковым, в которой с целью упрощения удалось свести решение торообразной оболочки к расчету кривого бруса на упругом основании. Задача решена методами строительной механики при использовании ряда упрощающих предположений.
Экспериментальная проверка показала неплохую сходимость расчетных и опытных данных. Однако указанное сравнение проводилось на ограниченном числе компенсаторов с большой высотой линзы (Н— 200 мм). В последнее время получили распространение компенсаторы с пониженной высотой линзы (=50-г 75 мм), рассчитанные на повышенное давление до р=2,5 МПа, напряженное состояние которых может иметь свои особенности. Важно также было провести сравнение на компенсаторах различных диаметров, включая большие, так как с ростом мощностей установок большие диаметры аппаратов и трубопроводов становятся типичными.
В статье проведено сравнение экспериментальных исследований и расчетных данных по методике Е. А. Палатиикова однолинзовых осевых компенсаторов йу 500, 1000, 1500 мм с толщиной стенок линз 5=2,5 и 4 мм. Все компенсаторы имели одинаковую форму и размеры линз, за исключением двух компенсаторов бу500 и 1500 мм, 5=2,5 мм, которые имели несколько более низкие высоты линз. Конфигурация и размеры профилей линз приведены на рис. 1.
Компенсаторы изготовляли из сегментов путем их сварки меридиональными швами. Сегменты получали вальцеванием предварительно отштампованной профильной полосы, в результате чего линзы имели в вершине утонение. Для снятия остаточных напряжений компенсаторы после изготовления подвергали термической обработке: из углеродистой стали — нормализации, из коррозионностойких — стабилизирующему отжигу. Механические свойства материала и некоторые размеры компенсаторов приведены в таблице.
Расчет напряжений от действия осевого перемещения и отдельно давления по методике Е. А. Палатникова проводили на ЭЦВМ Урал-11Б. При экспериментальном испытании применяли специальное приспособление. Перемещения (сжатие и растяжение) замеряли тремя равнорасположенными индикаторами с точностью 0,01 мм, давление — образцовыми манометрами класса 0,4. Для замера деформаций использовали тензодатчики с базой 5 мм. Приемы, методика тензометрирования соответствовали общепринятым. Для получения необходимой точности и надежности результатов датчики во всех точках дублировали, и испытания многократно повторяли для получения стабильных результатов.
Напряжения подсчитывали по формулам закона Гука для плосконапряженного состояния. Так как отдельные точки линзы нагружали до величин деформаций, превышающих упругие, то эти значения напряжений следует рассматривать как условные. С целью сравнения упругих деформаций рассматривали напряжения при перемещении сжатия Д= — 1 мм на полу-линзу и давлениях 0,6; 0,9 МПа для компенсаторов соответственно с 5=2,5 и 4,0 мм. Данные от растяжения на рисунках не приводятся. Для получения напряжения при других величинах нагружения необходимо напряжение от единичной величины умножить на величину параметра нагружения.
Результаты экспериментальных и расчетных данных приведены на рис. 2. Они имеют хорошую сходимость, если учитывать относительно невысокую точность изготовления конструкции линз при штамповке, вальцевании и последующей сварке. Наиболее точно совпадают данные для компенсаторов 1>у 500 и 1000 мм (5=2,5 и 4 мм), максимальное расхождение у которых не превышает 10 ... 14 %, в том числе и для наиболее нагруженной точки в вершине линзы. Для компенсаторов И1500 мм расхождение расчетных и экспериментальных данных несколько больше и достигает в вершине 22 %, что, очевидно, следует отнести за счет больших отклонений в геометрии линз при их подгонке и приварке к обечайке больших размеров. В этом случае расчетные данные превышают экспериментальные, что идет в запас конструкции. Выводы
Приведено сравнение экспериментальных и расчетных напряжений по методике Е. А. Палатникова для серии одно-линзовых компенсаторов с постоянными размерами линзы в широком диапазоне диаметров у500, 1000, 1500 мм, толщиной 5=2,5 и 4 мм.
Получено хорошее совпадение данных по всему контуру линзы для всех шести испытанных компенсаторов. Расхождение, как правило, не превышало 10 ... ... 15 % и только для компенсаторов 1)у 1500 мм оно достигало 22 %.
Методика расчета компенсаторов Е. А. Палатникова достаточно точно отражает напряженное состояние осевых линзовых компенсаторов />у 5004- 1500 мм и может быть рекомендована для расчета линзовых компенсаторов практически всех встречающихся диаметров с различной высотой волны.