Биметаллический сильфонный компенсатор

 

Использование: трубопроводная техника , в частности производство, тру б, используемых для компенсации температурных изменений длины трубопроводов. Сущность изобретения: компенсатор в виде трубы 3 с гофром выполнен из биметалла, в котором наружный слой 1 имеет больший коэффициент теплового расширения, что обеспечивает увеличение его компенсирующей способности без повышения внутренних напряжений в материале компенсатора при его нагреве. 2 ил.

COKH СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5f)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2.1) 4757171/29 . (22) 30.08.89 (46) 30.03.93. Бюл; N. 12 (71) Днепропетровский государственный университет им. 300-летия воссоединения

Украины с Россией (72) В.Г.Хейфец, А.А.Марков и P.Ã.Õåéôåö (56) Патент США М 2657074, кл, 138-121, опублик. 1953.

Патент Японии N. 7439, к. 65А-32А, о публик. 1963.

„„«чы„„1805263 Al (54) БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ СИЛЬФОННЫЙ

КОМПЕН САТОР (57) Использование; трубопроводная техника, в частности производство,труб, используемых для компенсации температурных изменений длины трубопроводов. Сущность изобретения: компенсатор в виде трубы 3 с гофром выполнен из биметалла, в котором наружный слой 1 имеет больший коэффициент теплового расширения, что обеспечивает увеличение его компенсирующей способности без повышения внутренних напряжений в материале компенсатора при его нагреве. 2 ил.

1805263

L=2 л. 0,3R, )11 2+)12<) Е . Д <

h) +Ь2

40 а-At

n=

К с

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве труб для газопроводов и трубопроводов специального назначения.

Целью изобретения является повышение надежности сильфонного компенсатора при увеличенной компенсирующей способности, Соотношение толщин слоев биметалла определяется из условия текучести материала слоев таким образом, чтобы материал компенсатора работал в области упругих обратных деформаций: где h> и hz — толщины наружного и внутреннего слоев биметалла, с) и az — KTP наружного и внутреннего слоев биметалла, At— перепад начальной и конечной температур, Š— модуль упругости материала слоя биметалла с наибольшим значением, ар,2 предел текучести материала слоя биметалла с большим значением модуля упругости, Эксперименатальные исследования биметаллических сил ьфонных компенсаторов показали резкое снижение способности компенсаторов к аномальной деформации при значительном уменьшении отношения

h>/Ь2, Металлографический и рентгеноструктурный анализ металла кампенсаторов с малым отношением )11В2 после температурных испытаний выявил пластическую деформацию в тонких слоях, особенно вблизи переходной зоны биметалла.

Очевидно, что необратимая деформация тонкого слоя под воздействием температурных деформаций толстого слоя снижает эффект аномальной температурной деформации.

Напряжения, возникающие в нару>кном, активном слое биметаллического сильфонного компенсатора при hi hz хорошо описывается эмпирически выведенной зависимостью (1).

Конкретный пример выбора h) и hz показан в табл. 1 для пары слоев "малоуглеродистая сталь — нержавеющая сталь" исходя из приведенного неравенства, а также из условий прочности трубопроводов в реальных условиях.

Эксперимент па изготовлению биметаллических сильфонных кампенсаторав с толстым наружным слоем (h> > hz) из-за специфики дефармирования наружного слоя с большим KTP показал значительные остаточные напряжения на контактном слое и воэможность расслоения.

Длина (меридиана среднего слоя биметаллического сильфонного компенсатора контура, очерченного по средине суммарной толщины стенки, определена эмпириче5 ски исходя из максимальной для всех существующих видов технологий горячего деформирования труб 30 -ной деформации; где R — радиус труб компенсируемого участка трубопровода.

Угол раскрытия р торовой части биме15 таллического сильфонного компенсатора определен из уравнения г де с — аномальное осевое смещение сво-. бодных концов компенсатара друг относительно друга, установлено исходя из следующей зависимости:

25 — sin

2L )((+e,at) Ьг ((+кг at) h,) ц ь(р

Sin (h + Ь г) . (Ч+ ь ф ) 2

3(г, кг)д64ЕеЕгh,,Ьг)(4iоб,ы1)Ьг+({ocгat)h1) L

2 )4Е1 гЬ, Ьг) п1Ьг+(Е<Ь Ег"г) ) где Е1 и Е2 — модуль упругости наружного и внутреннего слоев биметаллического сильфонного компенсатора.

Величины с и Л()>определяются максиЗ5 мальной эффективностью компенсатора; показателем которой является угол р

Количество гофров и на единицу длины трубопровода определено из формулы

* 4 где К вЂ” коэффициент защемления трубы в грунте (1 К < 10), а — KTP материала труб компенсируемого участка трубопровода.

Численные значения коэффициента К*, . расчеты труб, уложенных в земле, и конкретные примеры количества компенсаторов и приведены в табл. 2.

Конструкция предлагаемой биметаллической трубы-компенсатора показана на фиг. 1, где 1 — металлический слой с KTP а1, 2 — металлический слой с KTP

5r а (а1 >а2), 3-прямолинейныйучастоктрубы.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом. Изменение температуры трубопровода вызывает изменение геометрических размеров компенсатора, 1805263

Таблица 1 причем наружный слой 1, имеющий больший КТР, чем внутренний слой 2, деформируется активнее, что приводит, благодаря диффузионному соединению слоев 1 и 2, к аномальному осевому смещению краев 4. связанных с прямолинейными участками трубопровода 3. Таким образом, обычное тепловое изменение длины участка трубопровода компенсируется аномальным тепловым осевым смещением краев 4 биметаллического сильфонного компенсатора.

Деформация биметаллического гофра при изменении температуры оценивалась тензометрически при помощи системы "СИИТ-2 + ЭВМ" и тензорезисторов КФ5. Экспериментальные исследования проводились в диапазоне температур (-8)(+98) С с использованием вакуумного термошкафа "LABOR-402". Окончательные результаты оценивались путем замера расстояния между свободными концами гофра.

Сравнение экспериментальных и расчетных. данных тепловой деформации одного гофра биметаллического сильфонного компенсатора приведено в табл, 3.

На фиг. 2 показан биметаллический сильфонный компенсатор с гофрами, количество которых зависит от протяженности компенсируемого участка.

Использование биметаллического сильфонного компенсатора с аномальными свойствами позволит, прежде всего, предотвратить разрушения за счет снижения напряжений в трубах. Кроме того, предлагаемый сильфонный компенсатор является еще и ловушкой для трещин посредством многократного изменения траектории трещины. Изобретение может быть использовано также в качестве гасителя

5 вибраций в трубопроводах.

Применение предлагаемого биметаллического сильфонного компенсатора позволит нейтрализовать одну из основных причин катастрофических разрушений тру10 бопроводов — температурные напряжения.

Формула изобретения

Биметаллический сильфонный компен. сатор, содержащий гибкий компенсирующий элемент с тороидальными гофрами, о т15 л и ч а lo шийся тем, что гибкий компенсирующий элемент выполнен из биметалла, причем слой биметалла, расположенный на наружной поверхности гибкого элемента, имеет большой коэффициент теплового рас20 ширения, а соотношение толщин слоев биметалла определяется из зависимости

Ь а +Ьга1 д

25 где Ь и h2 толщины наружного-и внутреннего слоев биметалла соответственно; а и йз- коэффициенты теплового расширения наружного и внутреннего слоев

30 биметалла соответственно;

Л t — перепад начальной и конечной температур гибкого элемента;

Š— модуль упругости материала слоя биметалла с наибольшим значением; аО,д — предел текучести материала слоя биметалла с большим значением модуля упругости.

1805263

Состав- Толщиляющие на слопп нач. рад. кон. бимета- ев, мм лла

Х18Н9Т сталь 3

4.58

251

24 251 .

4,58

-32

251

4,58

251

4,58

98

251

4,58

-32

4,58

251

98 медь сталь 3

251

4,58

98

251

-32

4,58

4,58

Х18Н9Т сталь 3 медь

Х18Н9Т

2

2

Таблица 2

Таблица 3

ht,oC с экс- с распер. мм четн,мм

+74 1,582 1,614

-0,682 -0,697

+74 1,151 1,174

+74 0,436 0,449

-0,188 -0,194

+74 0,386 0,398

+74 2,024 2,125

-0,851 -0,918

+74 1,783 1,890

1805263

Составитель В,Хейфец

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С.Патрушева

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 933 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5