книги из ГПНТБ / Сапожников, В. М. Прочность и испытания трубопроводов гидросистем самолетов и вертолетов

личинах коэффициентов концентрации напряжений при сравни­ тельно небольших деформациях поперечного сечения.

Влияние радиуса гиба на выносливость трубопроводов опре­

делялось в двух вариантах:

I вариант — закрепление обоих концов трубопровода жест­

кое;

II вариант — один конец закреплен жестко, второй имеет сво­

боду перемещения в осевом направлении.

Результаты испытаний по первому варианту показали незна­ чительное влияние радиуса гиба трубопровода на его вынослп-

Рис. 7.Э. Зависимости эф­ фективных концентрато­ ров напряжений от ра­ диуса гиба и коэффици­ ентов овальности для трубопроводов из сталей Х18НІ0Т, ВНС-2 it спла­ ва титана 7М:

--------------- --стал1» ВНС-2;

--------- - —сплаз 7М /—трубопровод I2x0j5 мм; 2—трубопровод 20X0.5 мм; <3—для стали XI8HI0T раз­ мером 12X1,0 мм

вость, так как деформация поперечного контура происходила только под действием внутреннего давления манометрического

эффекта.

Во втором случае манометрический эффект вызывал дополни­ тельные деформации поперечного сечения, что и привело к выяв­ лению значительного влияния радиуса гиба на предел выносли­ вости трубопроводов.

На рис. 7. 3 приведены зависимости эффективных концентра­ торов напряжений от радиусов гиба и коэффициентов овальнос­ ти для трубопроводов из сталей Х18Н10Т, ВНС-2 и сплава тита­ на 7М.

Представленные зависимости можно использовать при рас­ чете запаса прочности трубопроводных систем, а также для вы­ бора типоразмеров трубопроводов при проектировании новых изделий.

Поскольку исследовались трубопроводы различных диамет­ ров с различными толщинами стенок, то можно сделать некото­ рые выводы о влиянии масштабного фактора на выносливость трубопроводов.

С уменьшением значения ö/D происходит существенное сниже­ ние пределов выносливости. Это наблюдается не только с увели­ чением диаметра, но и с уменьшением толщины стенки. Такое снижение выносливости объясняется, по-видимому, допусками на

220

разностенность и овальность трубопроводов в состоянии постав­ ки, а также значительное проявление поверхностных микропов­ реждений материала трубопровода.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫНОСЛИВОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ПО НАРУЖНОМУ КОНУСУ

Исследованию подвергались образцы различных типов соедине­ ний трубопроводов по наружному конусу, изготовленные из ста­ лей Х18Ш0Т, ВНС-2 и титановых сплавов 7М и ВТ1-1.

Раструбы трубопроводов изготовлялись с помощью разваль­ цовки, пневмомолотка и точением (соединения с обжатыми гай­ ками) .

жатой гайкой ( в )

Первыми были испытаны соединения трубопроводов по на­ ружному конусу из стали Х18Н10Т (развальцованные) с различ­ ными зазорами между внутренним диаметром ниппеля и наруж­ ным диаметром трубопровода: 6^0,4 мм; 6= 0,05—0,15 мм; ös^O мм и с улучшенной конструкцией ниппеля при 6=^0 мм.

Моменты затяжки, обеспечивающие герметичность соедине­ ний, брались согласно ГОСТ или отраслевым нормалям.

Аналогичная партия соединений трубопроводов была испыта­ на из материалов титанового сплава ВТ1-4 и 7М и стали ВНС-2.

Испытанию подвергались также соединения трубопроводов из стали Х18Н10Т с раструбом, полученным с помощью пневмо­ молотка, и точеным ниппелем с обжатой гайкой.

Далее испытанию подвергались соединения трубопроводов по наружному конусу из стали Х18Н10Т с зазором между ниппелем и трубопроводом равным 6=0,05—0,15 мм, но с различными ра­ диусами перехода из конической части раструба в цилиндричес­

221

кую часть трубопровода, /*= 1,5—°-3 мм, 2,0-0’3 мм, З-0’5 мм и 4,5_1'° мм (см. рис. 1.1,а).

На рис. 7. 4 показаны образцы соединений трубопроводов пос­ ле их испытания.

Результаты вышеуказанных испытаний для соединений по на­ ружному конусу сведены в табл. 7. 5.

Т а б л и ц а 7.5

222

Из данных таблицы видно, что увеличение величины предела выносливости соединений трубопровода из стали Х18Н10Т с ст_і—Ш кгс/мм2 до ст-і = 13,5 кгс/мм2 следует отнести в данном ■случае за счет снижения зазора между ниппелем и трубопрово­ дом (от 0,4—0,8 мм до 0,05—0,15 мм).

Испытания соединений трубопроводов по наружному конусу показали, что уменьшение зазора между ниппелем н трубопрово­ дом увеличивает величину предела выносливости соединений, а соединения трубопроводов по наружному конусу, выполненные из титановых сплавов, имеют предел выносливости в 2—3 раза меньше, чем те же соединения трубопроводов, выполненные из стали Х18Н10Т, за исключением соединений трубопроводов с толщиной стенки 1,5 мм.

Соединения трубопроводов из стали ВНС-2 равнопрочны с такими же соединениями из стали Х18Н10Т.

Было также установлено, что способ изготовления раструба для соединений трубопроводов с зазором между трубкой и нип­ пелем оказывает влияние на усталостную прочность соединений.

Получение раструба трубопровода путем развальцовки дает лучшие результаты.

Дальнейшее повышение предела выносливости достигалось за счет обкатки ниппелей или посадки ниппелей с небольшим натя­ гом, а также за счет улучшения формы ниппеля (см. рис. 1. 1,а).

В этих случаях зазор был равен нулю.

Величины пределов выносливости для стали Х18Н10Т соот­ ветственно равны: а_і=16,2 кгс/мм2 и сг- 1 = 19 кгс/мм2. Необхо­ димо также отметить, что было проведено испытание соединений с конической наружной поверхностью ниппеля (6^0), на виб­ ростенде, величина предела выносливости оказалась также рав­ ной о-i = 19 кгс/см2.

Как видно из рис. 7. 4,6 (6^0) разрушение в случае посад­ ки ниппеля без зазора уже не происходит в месте развальцовки трубопровода, а перемещается к концу ниппеля.

Другим способом увеличения величины предела -выносливос­ ти соединений трубопроводов по наружному конусу можно достичь увеличением радиуса перехода г из конической части трубопровода в цилиндрическую (см. рис. 1. 1,а).

При сборке соединений трубопроводов по наружному конусу с зазором и изготовление ниппелей необходимо осуществлять тщательный контроль за радиусом перехода г из конической час­ ти ниппеля в цилиндрическую. Уменьшение г ведет к повышению концентрации напряжений в соединении, что снижает его эксплу­ атационную надежность.

Развальцовку труб рекомендуется производить только в нип- • пель, а не в матрицу, так как при развальцовке трубы в матрицу наблюдается значительный разброс по углу раструба и несоос­ ность ниппеля с трубой, что приводит к увеличению монтажных напряжений в соединениях трубопроводов.

223

Наиболее вибропрочными соединениями трубопроводов по наружному конусу являются соединения трубопроводов с обжа­ той гайкой.

Далее были проведены исследования по влиянию натяга ме­ жду трубопроводом II ниппелем на усталостную прочность сое­ динений трубопроводов по наружному конусу.

Образцы соединений трубопроводов для исследований были изготовлены из трубопроводов с размерами 8XU мм и 10X0,75 мм из стали Х18Н10Т.

Для изучения влияния величины натяга между трубопрово­ дом и ниппелем на величину предела выносливости соединений было испытано 5 вариантов соединений трубопроводов,-

1. Соединение трубопроводов с нулевым зазором трубки раз­ мером 8Х1 мм.

2.Соединение трубопроводов с натягом 0,05 мм, размером трубки 10x0,75 мм.

3.Соединение трубопроводов с натягом 0,1 мм, размером трубок 8Х 1 мм и 10x0,75 мм.

Первая партия с омедненной внутренней поверхностью ниппе­ ля, вторая—с латунированной поверхностью и третья партия— без покрытия.

Предполагалось, что омеднение и латунирование позволит устранить контактную коррозию между трубкой и ниппелем и, следовательно, повысить величину предела выносливости соеди­ нений трубопроводов по наружному конусу без зазора.

Разрушение соединений анлогично рис. 7. 4,6. Величины пре­ делов. выносливости соединений трубопроводов по наружному конусу в зависимости от величины натяга между трубопроводом и ниппелем сведены в табл. 7.6.

Имея данные по размеру трубы 10X0,75 мм для соединений трубопроводов с зазором 6= 0,2 мм (а_і=11,8 кгс/мм2) можно сказать, что наблюдается заметная разница в пределах выносли­ вости у соединений трубопроводов с натягом:

о_і = 14 кгс/мм2 при натяге 0,05 мм, сг-1^15 кгс/мм2 при натяге 0,-1 мм

и o'— 1 = 15,9 кгс/мм2 при натяге 0,2 мм.

Кроме того, как было отмечено выше, у диаметра трубки с размером 12x0,9 мм с уменьшением зазора с 0,4—0,8 мм до 0 (с обкатанными ниппелями), величина предела выносливости также увеличилась на 70—80%.

224

Таблица 7.6

трубой, увеличения радиуса перехода из конической части трубы в цилиндрическую, полирования и упрочнения концов трубопро­ водов, почти равнопрочны с трубопроводами в состоянии постав­ ки, т. е. ßK~ 1,1—1,2, за исключением соединений трубопроводов, из титановых сплавов и стали ВНС-2 — ßK~2,5—3.

225

линдрнческой и конической формой хвостовика ниппеля имеют одинаковые пределы выносливости и являются наиболее вибропрочнымп. Однако из этих двух соединений соединение с кони­ ческой формой хвостовика ниппеля менее технологично.

Соединения трубопроводов с косым срезом торца ниппеля и -с улучшенной и укороченной расточкой под трубу (см. рис. 1. 2,в) являются менее вибропрочными, они имеют пределы выносливос­ ти на 25% меньше, чем первые два соединения.

Рис. 7.5. Общим вид образцов соединений трубопроводов по внутреннему конусу до (о) и после испытаний ( б )

При сварке или пайке встык соединения трубопроводов (см. рис. 1.2,<3) имеют усталостную прочность и надежность пример­ но в 2—4 раза ниже, чем при сварке или пайке соединений тру­ бопроводов внахлестку (см. рис. 1.2,а и б). В связи с этим при­ менять соединения трубопроводов по внутреннему конусу, сва­ ренные или спаянные встык, не рекомендуется.

Далее были проведены исследования соединения трубопрово­ дов по внутреннему конусу размером 12x1,0 мм из стали Х18Н10Т с различными способами пайки и сварки.

Первая партия образцов соединений трубопроводов была сва­ рена газовой горелкой на воздухе латунной проволокой, вторая партия была спаяна токами высокой частоты (т. в. ч.).

Величина предела выносливости соединении трубопроводов по внутреннему конусу, паяных токами высокой частоты, оказа­

конусу, выполненных из сталей Х18Н10Т и 20А рекомендуется производить токами высокой частоты, так как при данном спосо­ бе пайки соединение имеет усталостную прочность больше на 15—20%, чем при сварке газовой горелкой.

При пайке соединений трубопроводов необходим строгий контроль за галтелью Q, получаемой в процессе пайки, которая должна иметь плавный переход от ниппеля к трубке.

227

Данные типы соединений имеют низкий эффективный коэф­ фициент концентрации ßK= l,l—1,2, т. е. они почти равнопрочны с трубопроводами 'в состоянии поставки.

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫНОСЛИВОСТИ САМОУПЛОТНЯЮ Щ ИХСЯ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ С УПРУГИМ И ЭЛЕМЕНТАМИ

Испытанию подвергались образцы различных типов соедине­ ний трубопроводов с упругими элементами (см. рис. 1.5), изго­ товленные из сталей Х18И10Т, ВНС-2 и титановых сплавов 7М. и 0Т4-0.

Соединение с врезающимся кольцом (СВК) (см. рис. 1.3,г) является принципиально новым соединением, поэтому испытания по определению его усталостной прочности проводились впервые с учетом влияния давления рабочей среды, температуры окру­ жающей среды, монтажных неточностей и др.

Испытания образцов проводились на впбростенде марки ST-3000 при частоте колебаний 200 Гц на базе ІО7 циклов нагру­ жения, При испытаниях определялись и оптимальные моменты затяжки этих соединений и их допускаемое количество.

Результаты испытания приведены в табл. 7.8 [2, 31]. Разрушение в этих соединениях происходило по трубе в месте

проникновения в нее торцевого зуба врезающегося кольца (се­ чение 1—1, см рис. 1.3,г).

228

Общий вид разрушения показан на ріш 7. 6. Испытания пока­ зали что наибольшей вибропрочностью обладает СВК с труба­ ми из стали Х18Н10Т (ст_і = 20 кгс/мм2). Предел выносливости СВК с трубами из ОТ4-0 на 5% (о-і = 12 кгс/мм2), а с труоами из ВНС-2 —на 13% (а-і = 17,4 кгс/мм2), у сплава 7М —на 15— 20% (о-, = 12,0—12,7 кгс/мм2) ниже, чем с трубами из стали

Х18Н10Т.

Сравнение величии пределов выносливости показывает, что усталостная прочность СВК с трубами из стали ВНС-2 в 1,45 2,2 раза выше, чем соединения с развальцовкой, и в 1,8—2,4 раза

Рис. 7.6. Характер разрушения самоуплотняющих­ ся соединений трубопроводов с упругим элемен­ том (СВК)

выше, чем у неразъемных паяных соединений. Величина предела выносливости СВК с трубами из стали Х18Н10Т выше, чем у со­ единения с развальцовкой (сг_і = 13,5—18,5 кгс/мм2) и равна величине предела выносливости разъемного паяного соединения с трубами из этого же материала.

Соединения трубопроводов из сплава 7М (при 5 = 0,5 мм) равнопрочны с соединениями трубопроводов по наружному ко­ нусу из стали Х18Н10Т (при 5 = 0,9—1,0 мм). Испытания пока­ зали, что повышение давления до Р=280 кгс/см2 и температуры до 7=+350°С практически не снижает усталостную прочность

СВК с трубами из ВНС-2, а монтажная неточность — =1

AS

уменьшает предел выносливости СВК с трубами из сплава 7М на 10—12%.

Важным фактором, влияющим на усталостную прочность СВК, является плавность перехода из раскатанной части трубы в цилиндрическую (сеч. 1— 1, см. рис. 1.3,г). Для исследования влияния этого фактора были испытаны две партии образцов с трубами 12x0,9 мм из стали Х18Н10Т. В одной партии образцов переход из раскатанной части в цилиндрическую выполнялся ступенями, а в другой партии образцов этот переход выполнялся по радиусу, равному 16± 0,5 мм. Технологически это достигалось изменением формы роликов раскатки при сборке опытных образ­ цов СВК.

Выполнение перехода из раскатанной части трубы в цилинд­ рическую по радусу, равному 16± 0,5 мм, позволяет повысить

229