Двухслойная обечайка сосуда, работающего под внутренним давлением

 

Обечайка предназначена для сосуда, работающего под внутренним давлением. Обечайка состоит из герметичного, выполненного из одного или нескольких слоев прочного в двух направлениях материала, основного трубчатого элемента, герметично и прочно соединенного у торцов с сопрягаемыми с обечайкой элементами, и внешнего упрочняющего слоя, выполненного в виде обмотки из прочного на разрыв нитевидного материала, при этом основной трубчатый элемент с внутренней стороны имеет одну или несколько продольных, тянущихся по всей длине обечайки складок, выгнутых в форме трубки, разомкнутой по образующей, обращенной к внешней стороне обечайки, а упрочняющий слой наложен с натягом, обеспечивающим прижим краев складок друг к другу и образование в основном трубчатом элементе тангенциально направленных напряжений сжатия, не превышающих предела пропорциональности материала, причем между прилегающими друг к другу поверхностями упрочняющего слоя и основного трубчатого элемента отсутствуют адгезионные связи. Технический результат - снижение массы обечайки. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 ил.

Изобретение относится к машиностроению в области изготовления сосудов, работающих под внутренним давлением, и может также применяться в качестве элемента трубопроводов высокого давления.

Известны многослойные обечайки сосудов, работающих под внутренним давлением, и многослойные трубы высокого давления, выполненные в виде основного трубчатого элемента из материала, прочного в продольном и поперечном направлении, например тонкостенной металлической трубы, на который намотан упрочняющий слой из нитевидного материала, более прочного на разрыв, чем материал основного трубчатого элемента (Морев А.И., Ерохов В.И. Эксплуатация и техническое обслуживание газобаллонных автомобилей. М.: Транспорт, 1988, с. 55-67). Благодаря высокой прочности намотки основной элемент может выполняться более тонкостенным, а обмотка имеет меньшую массу, чем аналогичный по прочности слой сплошного материала. Общая масса изделия может быть меньше, чем у однослойной обечайки из сплошного материала.

Однако при таком решении прочность материала обмотки используется лишь частично. Вследствие равенства относительных деформаций растяжения обмотки и основного трубчатого элемента напряжения в материале обмотки и материале основного трубчатого элемента всегда обратно пропорциональны их модулям упругости. Поэтому, например, в случае одинаковых материалов обоих слоев (стальная проволока по стальной трубе) напряжения в материале слоев одинаковы и более высокая прочность обмотки не реализуется. Еще хуже используется прочность нитей, если материал обмотки имеет меньший модуль упругости, чем материал основного трубчатого элемента, например стеклянное волокно по стальному слою.

Известно решение, частично устраняющее этот недостаток путем предварительного тангенциального сжатия основного трубчатого элемента. (Заявка "Баллон", RU 97104829 А, 26.03.1997, опубл. 10.04.1999.) В этом случае технологией изготовления обечайки, например натяжением нитевидного материала во время намотки, создают в материале основного трубчатого элемента напряжения сжатия, которые могут достигать значений, равных 0,5 от предела прочности. Тогда при рабочем давлении внутри обечайки относительная деформация основного трубчатого элемента может быть увеличена по отношению к допустимой деформации растяжения на величину, равную предварительной деформации сжатия (сначала от сжатия до нуля, затем от нуля до допустимой деформации растяжения). Степень использования прочности обмотки улучшится, но несущая способность обмотки реализуется все еще не полностью. Например, в случае стальной проволоки при стальном основном трубчатом элементе напряжения в проволоке могут в рабочем режиме в 2 раза превышать напряжения в сплошном материале. Прочность же стальной проволоки может быть в 5-10 раз выше, чем прочность листовой стали или стальной трубы.

Известно также решение ("Баллон высокого давления", RU 2094695 С1, 27.10.1997), в котором основной трубчатый элемент выполнен из тонкого листа в один или несколько слоев и имеет продольные и кольцевые гофры. В этом случае увеличение диаметра трубчатого элемента под действием внутреннего давления происходит в значительной степени благодаря разгибанию продольных гофр в той части обечайки, где нет кольцевых складок. Поскольку допустимое расхождение краев гофра вследствие деформации изгиба превышает допустимую деформацию растяжения, относительное удлинение окружности, огибающей основной трубчатый элемент, может быть больше, чем относительное удлинение материала этого элемента. Это позволяет нагрузить обмотку в большей степени, чем при отсутствии гофр. Однако форма гофр не позволяет создавать предварительные напряжения сжатия, как это делается в описанном выше случае, а требование прочности гофр по отношению к внутреннему давлению в обечайке вынуждает делать их толстостенными, что повышает их изгибную жесткость и снижает эффект удлинения огибающей окружности. Кроме того, эффект удлинения огибающей окружности отсутствует в местах кольцевых гофр, что требует применения специального упрочняющего кольца.

Это же решение предусматривает возможность заполнения продольных гофр эластичным материалом, который повышает прочность гофра по отношению к давлению среды изнутри обечайки. В этом случае воздействие давления среды изнутри обечайки "продавливая" стенку гофра частично передается на эластичный материал, что позволяет утонить стенку. Однако малое значение модуля упругости эластичного материала по сравнению с материалом основного элемента не позволяет достигать существенного эффекта.

Наиболее близкое к заявляемому изобретению решение ("Труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением", патент RU 2117206 С1, F 16 L 9/14, 10.08.1998) состоит в том, что основной трубчатый элемент выполнен из тонколистового упругого материала, прочно и плотно соединен с концевыми элементами трубопровода и имеет систему продольных радиальных складок, образующих ребра жесткости, направленные внутрь трубы. Это решение благодаря возможности "разгибания" ребер с образованием двугранного угла при нагружении трубы внутренним давлением позволяет увеличивать нагрузку, передаваемую на упрочняющую обмотку из нитевидного материала. Удлинение окружности, огибающей основной трубчатый элемент, происходит вследствие изгиба ребер и раздвижения сжатых оснований. Оно превышает увеличение длины окружности, которое могло бы иметь место вследствие растяжения цилиндрической части трубы в тангенциальном направлении. Однако низкая прочность плоскости двугранного угла по отношению к давлению среды изнутри обечайки не позволяет достигать значительного эффекта.

Технической задачей изобретения является снижение массы обечайки при сохранении ее прочности.

Поставленная задача решается тем, что двухслойная обечайка сосуда, работающего под внутренним давлением, воспринимающая тангенциальные нагрузки прочной обмоткой из нитевидного материала, состоит из герметичного, выполненного из одного или нескольких слоев прочного в двух направлениях материала, основного трубчатого элемента, герметично и прочно соединенного у торцов с сопрягаемыми с обечайкой элементами, и внешнего упрочняющего слоя, выполненного в виде обмотки из прочного на разрыв нитевидного материала, при этом основной трубчатый элемент с внутренней стороны имеет одну или несколько продольных, тянущихся по всей длине обечайки складок, выгнутых в форме трубки, разомкнутой по образующей, обращенной к внешней стороне обечайки, а упрочняющий слой наложен с натягом, обеспечивающим прижим краев складок друг к другу и образование в основном трубчатом элементе тангенциально направленных напряжений сжатия, не превышающих предела пропорциональности материала, причем между прилегающими друг к другу поверхностями упрочняющего слоя и основного трубчатого элемента отсутствуют адгезионные связи.

Кроме того, в зазоре между прижимающимися друг к другу краями каждой из складок может быть установлена одна или несколько упорных прокладок.

А также между прилегающими друг к другу поверхностями упрочняющего слоя и основного трубчатого элемента может быть установлена одна или несколько антифрикционных прокладок.

Заявляемое изобретение позволяет в обечайке, состоящей из прочной обмотки из нитевидного материала и основного трубчатого элемента, непроницаемого для среды, находящейся внутри обечайки, и выполненного из тонкого листового материала в один или несколько слоев, полностью использовать прочностные возможности обеих частей. В условиях, когда давление среды внутри обечайки достигает максимального рабочего значения, напряжения в нитевидном материале обмотки и материале основного трубчатого элемента могут соответствовать максимальному допустимому для соответствующего материала значению. При этом масса обечайки окажется минимальной. Отличие изобретения состоит в том, что поверхность основного трубчатого элемента имеет одну или несколько выгнутых внутрь обечайки продольных складок, идущих по всей длине обечайки и имеющих форму трубы, разрезанной по образующей. Оба края каждой складки сближены и в свободном состоянии, без обмотки, образуют между собой по всей длине обечайки зазор. Упрочняющая обмотка обечайки при этом наложена на основной трубчатый элемент без адгезионной связи с ним, но с предварительным натяжением, таким, что при отсутствии избыточного давления внутри обечайки края складки упираются друг в друга, а в материале цилиндрической части основного трубчатого элемента возникают напряжения сжатия и изгиба, в сумме не превышающие предела пропорциональности.

Когда давление среды внутри обечайки возрастает до максимального рабочего значения, цилиндрическая часть основного трубчатого элемента растягивается в тангенциальном направлении, а края складок расходятся, образуя зазор, увеличенный по сравнению с имевшимся в свободном состоянии. Благодаря отсутствию адгезионных связей между обмоткой и основным трубчатым элементом витки обмотки скользят относительно поверхности основного трубчатого элемента, что создает равномерное растяжение нитевидного материала вдоль каждого витка. Растяжение витков обмотки в рабочем состоянии складывается из суммы образовавшихся зазоров; предварительного растяжения витков; тангенциального растяжения основного трубчатого элемента. Если прочность материала основного трубчатого элемента превышает максимальное рабочее давление, растяжение витков обмотки всегда может стать достаточно большим, чтобы напряжения в материале обмотки достигли предельно допустимого значения.

Между краями каждой складки могут быть установлены один или несколько промежуточных элементов, что облегчает соблюдение требований прочности складки при создании предварительного сжатия.

Между обмоткой и основным трубчатым элементом может быть помещен антифрикционный слой, облегчающий скольжение обмотки относительно основного трубчатого элемента, что может улучшить равномерность натяжения нитевидного материала по окружности витков.

На фиг.1 показан продольный разрез обечайки.

На фиг.2 показан вид обечайки с торца.

На фиг.3, 4, 5 и 6 показаны изменения поперечного сечения складки и эпюр напряжений в разных сечениях при изменении давления среды внутри обечайки.

На фиг.7 показана складка с установленными упорными прокладками.

На фиг.8, 9 и 10 показаны расчетные схемы элементов обечайки.

Возможность осуществления заявляемого изобретения следует из его описания. На фиг.1, 2 показан продольный разрез и вид с торца двухслойной обечайки, которая состоит из основного трубчатого элемента 1 и плотно намотанной на него упрочняющей обмотки 2 из прочного на разрыв нитевидного материала. Обмотка может быть выполнена в виде композитного материала, армированного нитевидным материалом, образующим цилиндрическую катушку поперечных витков. Основной трубчатый элемент 1 выполнен в виде однослойной или многослойной трубы, поверхность которой в одном или нескольких местах вдавлена внутрь и образует складку 3, изогнутую по форме трубки, проложенной вдоль образующей цилиндра основного трубчатого элемента и разомкнутой по этой образующей. На фиг. 3 и 4 показаны соответственно форма складки на поверхности однослойного и многослойного основного трубчатого элемента до наложения на основной трубчатый элемент упрочняющей обмотки. Между краями складки образован зазор шириной 2х₁. Обмотка 2 наложена на основной трубчатый элемент с натягом так, что края складки 3 сходятся и упираются один в другой, как показано на фиг. 5. Величина натяга может быть такой, что в цилиндрической части основного трубчатого элемента (сечение АА) возникнут напряжения сжатия, которые в сумме с напряжениями изгиба на должны превышать предел упругости материала S. По мере повышения давления внутри обечайки сжатие цилиндрической части снижается, но появляется сжатие в сечениях ВВ и СС. При некотором значении давления р₁ (см. фиг.5) сжатие в сечении АА исчезнет, останутся только напряжения изгиба. В сечении же ВВ возникнут кроме первоначальных напряжений изгиба дополнительные напряжения сжатия. Сумма напряжений в сечении ВВ при давлении р₁ должна быть меньше предела пропорциональности S.

Дальнейшее увеличение давления вызывает растяжение цилиндрической части основного трубчатого элемента и благодаря скольжению между ним и обмоткой - появление зазора между краями складки. Когда давление внутри обечайки становится равным максимальному рабочему (Рр), суммарное напряжение в сечениях АА и ВВ не должны превышать допустимых значений. Зазор между краями складки становится равным 2х₁+2х₂ (фиг. 6). В результате общее растяжение обмотки всегда может быть доведено до величины, при которой напряжения в нитевидном материале становятся равными предельно допустимым. Это и требуется для обеспечения максимальной эффективности обмотки.

Первое из перечисленных выше условий прочности может быть выполнено, если зазор между краями складки до наложения обмотки не превышает определенной величины. Это может вызвать технологические трудности. Для упрощения технологии предлагается решение, при котором между краями складки вложены одна или несколько твердых прокладок (4, 5, 6 на фиг.7). Подбором толщины этих прокладок всегда можно установить требуемую величину зазора.

Поскольку растяжение нитей обмотки отличается от растяжения прилегающих к обмотке поверхностей основного трубчатого элемента, имеет место проскальзывание одного элемента по другому. Возникающее при этом трение может создать неравномерное натяжение в витках обмотки. Для предотвращения этого предлагается проложить между основным трубчатым элементом и обмоткой в местах их соприкосновения антифрикционные прокладки (7 и 8 на фиг.7), например фторопластовые.

Возможность достижения заявляемого результата, состоящего в том, что нити обмотки при использовании заявляемого изобретения всегда могут быть загружены до предельного допустимого значения, подтверждается расчетом.

На фиг. 8 представлена расчетная схема складки. В силу симметрии расчет производится для половины складки, которая рассчитывается как криволинейный стержень, имеющий форму полукруга с радиусом r. Одно концевое сечение стержня (ВВ на фиг.4, 5 и 8) закреплено в "заделке". Другое концевое сечение (СС на фиг. 4, 5 и 8) "отрезано" от цилиндрической части основного трубчатого элемента 1, взаимодействие с "отрезанной" частью заменено на нормальную силу Р и момент _о. С внешней стороны полукруга на стержень действует равномерно распределенная нагрузка р, имитирующая давление среды внутри обечайки.

Форма поперечного сечения стержня изображена на фиг.9. Принято, что стержень является вырезанной из основного трубчатого элемента перпендикулярно его оси полосой, имеющей ширину, равную 1. Сечение стержня тогда имеет форму прямоугольника шириной 1 и высотой h. В случае применения трубчатого элемента с числом слоев более одного сечение имеет вид набора не связанных между собой прямоугольников в количестве m (число слоев), имеющих каждый ширину 1 и высоту h/m. Общая высота сечения остается равной h.

Под действием указанных выше нагрузок конечное, не "заделанное" сечение стержня сместится на величину х в направлении действия силы Р и повернется на угол О. Величина смещения и угол поворота сечения СС, нормальные силы и изгибающие моменты в сечениях ВВ и СС рассчитываются по формулам (Машиностроение. Энциклопедический справочник. Том 1. М.: Машгиз, 1947, с. 68-69): N_BB= -P-2pr (3) N_CC=P (4) M_BB = |2Pr+2pr²-M₀| (5) M_CC = |M₀| (6) где О - угол поворота концевого сечения стержня; х - смещение конечной точки стержня; N_BB - нормальная сила в сечении ВВ;
N_CC - нормальная сила в сечении СС;
M_BB - изгибающий момент в сечении ВВ;
М_СС - изгибающий момент в сечении СС;
Р - внешняя сила, приложенная в конечной точке стержня (сила связи);
р - давление среды внутри обечайки;
М_о - внешний момент, приложенный в конечной точке стержня (момент связи);
r - радиус изгиба сечения складки;
Е_М - модуль упругости материала основного трубчатого элемента;
I - момент инерции сечения стержня.

Поскольку конечное сечение стержня (полускладки) является одновременно сечением цилиндрической части основного трубчатого элемента, угол поворота сечения определится формулой

где R - радиус сечения основного трубчатого элемента.

Подставив формулу (7) в (1) и решив систему (уравнения 1-6) относительно Р, М_о, N_BB, N_CC, M_BB и М_СС, получим






Необходимые для вычисления напряжений параметры поперечного сечения стержня определятся из известных формул:
F=1•h=h (14)


где F - площадь поперечного сечения стержня;
W - момент сопротивления изгибу;
h - суммарная толщина сечения (стенки основного трубчатого элемента);
m - число слоев в стенке основного трубчатого элемента.

Используя формулы (10-16), получим выражения для вычисления напряжений в сечениях ВВ и СС;






где σ_ИB - напряжения изгиба в сечении ВВ;
σ_NB - нормальные напряжения в сечении ВВ;
σ_ИС - напряжения изгиба в сечении СС;
σ_NC - нормальное напряжение в сечении СС.

Из формул 21 и 22 следуют неравенства, определяющие сформулированные выше условия прочности:




где S - предел пропорциональности материала основного трубчатого элемента;
σ_MД - допустимые напряжения в материале основного трубчатого элемента;
х₁ - половина ширины зазора между краями складки в свободном состоянии (без обмотки);
х₂ - увеличение зазора за счет растяжения основного трубчатого элемента внутренним давлением среды;
р₁ - давление среды внутри обечайки, при котором начинает "раскрываться" зазор;
р_р - максимальное рабочее давление среды внутри обечайки.

Схема деформаций цилиндрической части основного трубчатого элемента и витков обмотки приведена на фиг.10. Цилиндрическая часть основного трубчатого элемента 1, примыкающая к полускладке в исходном состоянии (до наложения обмотки), изображена на схеме дугой АВ. После наложения обмотки вследствие прижима краев складки друг к другу точка А переместиться в положение А₁, а точка В за счет сжатия дуги АВ переместиться в положение В1. Чтобы создать эти перемещения, нужно натянуть витки обмотки, условно переместив точку С в положение С₁. При этом выделенная на схеме часть витка удлинится на дугу у₀. Когда давление среды внутри обечайки станет равным рабочему, образуются новые деформации. Точка А из положения ₁ переместиться в положение А₂, то есть сначала восстановится первоначальный зазор (от А₁ до А), а затем зазор увеличится, отклоняясь от нейтрального состояния в другую сторону. Следуя за этими изменениями, точка С условно переместится из положения С через С₂ в положение С₃, а длина выделенной части витка увеличится на сумму длин дуг х₁ и х₂. С другой стороны точка В переместится из положения В₁ в В₂ (за счет снятия напряжения сжатия) и далее в положение В₃ за счет тангенциального растяжения цилиндрической части основного трубчатого элемента. Выделенная часть витка при этом растянется из D в D₁ и D₂. Ее длина увеличится на сумму длин дуг у₁ и у₂. Общее удлинение витка обмотки (Y), наложенной на основной трубчатый элемент, имеющий n складок, выразится формулой:
Y=2n(y₀+x₁+x₂+y₁+y₂) (27),
где Y - удлинение каждого витка обмотки;
n - число складок на поверхности основного трубчатого элемента;
y₀ - начальное удлинение (предварительное растяжение) витка обмотки, приходящееся на каждую полускладку;
y₁ - удлинение витка обмотки, компенсирующее сжатие цилиндрической части основного трубчатого элемента, приходящееся на каждую полускладку;
y₂ - удлинение витка обмотки, компенсирующее растяжение цилиндрической части основного трубчатого элемента, приходящееся на каждую полускладку.

Нагрузить обмотку до предельного допустимого значения можно лишь о том случае, когда относительное удлинение витков обмотки не меньше предельно допустимого относительного удлинения нитевидного материала, из которого изготовлена обмотка. Это условие выражается неравенством:

где σ_нд - предельно допустимые напряжения на разрыв нитевидного материала обмотки;
Е_н - модуль упругости нитевидного материала обмотки.

Подставляя значения х₁ и х₂ из равенств (23-26) в формулы 27 и 28, учитывая очевидные соотношения


S > σ_МД;

и пренебрегая малыми величинами r/R и h/6mr по сравнению с 1, получим неравенство, определяющее возможность полного использования несущей способности обмотки,

В неравенстве (29) свойства материалов, применяемых для изготовления основного трубчатого элемента и обмотки, влияют на результат через соотношение

Для известных и применяемых на практике материалов величина К не превышает 25. Это следует из таблицы, которая рассчитана по литературным данным (Ю. Н. Васильев и др. Опыт эксплуатации автомобилей, работающих на природном газе. М. : ВНИИЭгазпром, 1990, 59 с. Серия "Использование газа в народном хозяйстве").

Если левая часть неравенства (29) положительна, то всегда можно выбрать такое значение m (число слоев основного трубчатого элемента), при котором это неравенство выполняется и, следовательно, решается задача изобретения. Левая часть положительна, если

Выбором отношения r/h всегда можно обеспечить выполнение и этого неравенства. Таким образом, заявленный изобретением технический результат всегда может быть достигнут.

Формула изобретения

1. Двухслойная обечайка сосуда, работающего под внутренним давлением, воспринимающая тангенциальные нагрузки прочной обмоткой из нитевидного материала, состоящая из герметичного, выполненного из одного или нескольких слоев прочного в двух направлениях материала, основного трубчатого элемента, герметично и прочно соединенного у торцов с сопрягаемыми с обечайкой элементами, и внешнего упрочняющего слоя, выполненного в виде обмотки из прочного на разрыв нитевидного материала, отличающаяся тем, что основной трубчатый элемент с внутренней стороны имеет одну или несколько продольных, тянущихся по всей длине обечайки складок, выгнутых в форме трубки, разомкнутой по образующей, обращенной к внешней стороне обечайки, а упрочняющий слой наложен с натягом, обеспечивающим прижим краев складок друг к другу и образование в основном трубчатом элементе тангенциально направленных напряжений сжатия, не превышающих предела пропорциональности материала, причем между прилегающими друг к другу поверхностями упрочняющего слоя и основного трубчатого элемента отсутствуют адгезионные связи.

2. Обечайка по п.1, отличающаяся тем, что в зазоре между прижимающимися друг к другу краями каждой из складок установлены одна или несколько упорных прокладок.

3. Обечайка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что между прилегающими друг к другу поверхностями упрочняющего слоя и основного трубчатого элемента установлены одна или несколько антифрикционных прокладок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12