Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 [ 9 ] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72

в случае определения толщины стенки труб по пределу прочности, что более правильно и предусмотрено СНиП И-Д. 10-62, определение величины пролетов следует вести все же исходя нз предела текучести металла труб в продольном направлении. Необходимость этого вызывается тем, что при достижении предела текучести металла начнется быстрое увеличение прогибов. Исходные расчетные выражения останутся теми те:

0,5 а,5ц -f Ои < i?2, откуда аК 2 - 0,5 ац.

Величину Окц находят при определении толщины стенки труб исходя из предела прочности металла труб перпендикулярно их оси.

§ 2. ВЛИЯНИЕ СЛОЖНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ РАСЧЕТЕ НАДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Прп постепенном увеличении нагрузки наблюдаются три условно различающиеся стадии работы материала в конструкциях: упругая, пластическая и стадия разрушения. При расчете стальных конструкций, работающих в упругой стадии, материал рассматривается, как идеально упругий с постоянными упругими характеристиками: модулем упругости Е, модулем сдвига G и коэффициентом поперечной деформации (коэффициент Пуассона) р.. С увеличением нагрузки выше некоторого предела начинают появляться пластические (остаточные) деформации. После текучести наступает период упрочнения, когда для дальнейшего роста пластических деформаций требуется увеличение нагрузки. У низколегированных сталей, применяемых .для изготовления труб, явление текучести не наблюдается.

Для строительных материалов стадия пластических деформаций имеет ряд специфических расчетных особенностей. Характер напря--кенного состояния оказывает существенное влияние на свойства Л1атериала. Поэтому на практике используются теории прочности - гипотезы наступления текучести или разрушения при сложном напряженном состоянии. Они позволяют определить условия наступления текучести или разрушения при сложном напряженном состоянии на основании результатов испытания образцов при некоторых простейших напряженных состояниях (растяжение, сжатие, кручение). Имеется несколько теорий прочности, в которых за факторы, определяющие прочность стали, принимаются: наибольшие нормальные напряжения, наибольшие относительные удлинения, наибольшие касательные напряжения, октаэдрические касательные напряжения (энергетическая теория прочности) или несколько факторов в зависимости от особенностей разрушения материала. По всем этим теориям любое сложное напряженное состояние сводится к эквивалентному одноосному напряженному состоянию с напряжением а эк.

Такой подход упрощает расчеты, но может легко привести к ошибкам.

Большое количество проведенных исследований (работы Н. Н. Давиденкова, Я. В. Фридмана, С. И. Ратнер, Г. В. Ужика, О. П. Пашкова, А. Надаи и др.), а также опыты, проведенные во ВНИИСТе, и экспериментальные работы, выполненные ЦНИПСом, показывают, что ни одна из предложенных теорий прочности не отражает полностью действительных условий разрушения материала при сложно-напряженном состоянии. Истинное сопротивление разрушению и пластические свойства не являются постоянными для материала, они изменяются с изменением напряженного состояния.

С целью уточнения вопроса влияния совместного действия внутреннего давления и продольного растягивающего и сжимающего усилий в трубопроводах на изменение их прочности и пластических свойств во ВНИИСТе были проведены специальные исследования на образцах труб.

В настоящее время при расчете трубопроводов учет сложного напряженного состояния обычно производится в соответствии с энергетической теорией прочности.

При этом условие прочности может быть выражено

СГэк = У -[(СГкЦ - Опрод) + (СГпрод - Орд) + (СГрд - Окц)] < СГпрСд, (3. 7).

где Окц, Опрод, Орд - максимальные значения расчетных нормальных (главных) напряжений: кольцевых, продольных и радиальных; (Тпрея - предельно допустимые напряжения в металле, принимаемые при расчетесх равными пределу текучести at.

Принимая во внимание, что радиальные напряжения Орд малы,, это условие можно записать так:

Сэк = VCKU + прод - ОкцСпрод < (Тпред. (3-8)

В табл. 3. 3 и на рис. 3. 1 показано изменение отношения

СГэк

в зависимости от величины 222 при сложном напряженном состоя-

НИИ по энергетической теории, причем Окц приняты равными единице.

Таблица 3. 3

СГкЦ СГпрпД

Изменение отношения - в зависимости от --- прп сложном

Оэн Окц

напряженном состоянии

Из табл. 3. 3 и графика видно, что наиболее неблагоприятным сочетанием является совместное действие кольцевых растягивающих и продольных сжимающих напряжений.

При одновременном растяжении в двух направлениях, как вытекает из формулы (3. 8) и опытов ВНИИСТа, предел текучести повышается, хотя по данным опытов в значительно меньшей степени, чем по формуле.

Опыты проводились на образцах, изготовленных из бесшовных труб диаметрод!, равным 76 мм с толщиной стенки 4 мм и диаметром, равным 89 мм с толщиной стенки 3,5 мм. Образцы были выполнены

Рис. 3.1. График зависимости изменения величины

величины отношения продольных напряжении к кольцевым по энергетической теории прочности.

гв соответствии с чертежами (рис. 3. 2). Образцы из труб диаметром, равным 89 мм, в отличие от образцов, изготовленных из труб диаметром 76 мм, имели в средней части поперечный сварной шов.

Образцы труб растягивались при наличии в них постоянного гидростатического давления различной неличпны. Наступление теку-честп металла фиксировалось одновременно тензометрами, датчиками, по лаковому покрытию, по диаграмме и шкале, разрывной -машины.

Внутреннее давление при испытании образцов было около 50, 100 и 150 кПсм, что создавало напряженпя в кольцевом напранле-нии, равные примерно 1000, 2000 н 3000 кПсм-.

Результаты измерений на трубах диаметром 76 мм сведены в табл. 3. 4. В таблице помимо опытных значений продольных напряжений нрп пределе текучести и пределе прочности образцов труб приведены также их значения, подсчитанные на основании энергетической теории прочности по формуле

<Тпред

прод

кц-прод 1

в которой в качестве Опрсд принято напряжение От Для образцов,

•испытанных без внутреннего давления.

Пользуясь этой формулой, можно пайти величину продольных напряжений, соответствующую текучести металла:

•прод. т

2 /

г , 2

(3. 9)

В таблице указано также процентное изменение продольных напряжений при достижении предела текучести и предела прочности в образцах труб в связи с увеличением в них внутреннего давления.

ей о

Сдпрной шов

Рис. 3. 2. Образцы труб.

а-диаметром 76 лл1 (без сварного шва); б-диаметром 89 л1-ч (с поперечным сварным швом в средней части).

При определении продольного растягивающего усилия, приложенного к образцам труб, к усилию машины прибавлялась сила, возникающая от давления жидкости на заглушки образцов, равная

прод -

где Z)bh - внутренний диаметр образца; р - внутреннее гидростатическое давление.

Из табл. 3. 4 видно, что с увеличением внутреннего давления в трубах, т. е. с увеличением кольцевых напряжений, повышаются продольные напряжения как при наступлении текучести, так и при достижении предела прочности металла труб. Наибольшее повышение напряжений, при которых начинается текучесть (на 2,9-4,7%), было при кольцевых напряжениях, равных 2000-3000 кПсм-. При этих же значениях кольцевых напряжений зафиксировано и наибольшее их повышение у предела прочности (на 12,4-12,6%), причем

Результаты измерений на трубах диаметром 76 мм

Таблица 3. 4

Номер образца трубы

Среднее значение

3S Лак

Продольные напря-жения, кГ/сжг

при пределе текучести

о G с о

3340 3530 3420 3430

= и S

3430

S = n

Изменение предела текучести с увеличением внутреннего давления, %

S 3 з:

О с: □ о

4520 4700 4550 4590

д о » -

изменение предела прочности значительно больше, чем изменение предела текучести.

Сравнивая значения, полученные опытным путем при различных кольцевых напряжениях в образцах со значениями, подсчитанными для этих же условий на основании энергетической теории прочности, видим, что практически с увеличением кольцевых напряжений напряжения на пределе текучести возрастают на значительно меньшую величину (в 3-4 раза), чем это следует из энергетической теории прочности.

Результаты опытов наглядно видны на рис. 3. 3, а.

Пределы текучести и прочности металла, полученные при испытании образцов труб без внутреннего давления, оказались примерно на 4 и 6% выше, чем при испытании стандартных плоских образцов

(предел текучести у первых 3430 кПсм против 3300 кГ1см при испытании ПЛОСКИХ образцов и предел прочности 4590 кГ/сл против 4340 кПсм").

С повышением в образцах труб внутреннего давления изменялся характер самого разрушения. При отсутствии внутреннего давления

5000

0500

3000

разрушение было пластичным с образованием «шейки». С увеличением внутреннего давления характер разрушения становился менее пластичным, «шейка» уменьшалась и затем исчезала совсем.

Снижение пластических свойств металла при разрушении труб, находившихся под внутренним давлением, подтверждается также и проведенными исследованиями микроструктуры.

Результаты испытания труб диаметром 89 мм приведены в табл. 3. 5.

На рис. 3. 3 данные табл. 3. 5 представлены в виде графика.

Результаты, полученные при испытании образцов труб диаметром 89 мм, находятся в полном соответствии с данными испытания образцов труб диаметром 76 мм.

При повышении внутреннего давления в образцах труб диаметром 89 мж до 50 кГ/см, ЧТО соответствует кольцевым напряжениям около 1000 кГ/см, продольные напряжения, соответствующие началу текучести, повысились в среднем всего на 1,1% чесКой теории прочности. При цевых напряжений до 2000 и расчетными данными

5500

гт 2880

kOOO

3500

3000

2500

2000

2000

3000

КЦ;

,кГ/СМ

Рис. 3. 3. Изменение предела текучести и предела прочности металла образцов труб при продольном растяжении в зависимости ОТ величины кольцевых напряжений.

о трубы диаметром 76 мм (1 - по результатам опытов; 2 - по энергетической теории прочности); б - трубы диаметром 89 мм (I - по энергетической теории прочности; 2 - по диаграмме разрывной машггаы; .? - по пока,зап11Ям датчиков II тензометров).

против 12% дальнейшем кТ/см различие уменьшилось, но также

согласно энбргетп-увеличении коль-между опытными оставалось значи-

тельным. Наибольшее повышение предела текучести (на 5,4-5,9%) получено при кольцевых напряжениях 2000-3000 кГ/см. Разрушение во всех случаях начиналось непосредственно со сварного соединения и затем переходило у большинства образцов на основной металл трубы.