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

рис. 1.3,я). Это соединение трубопроводов удовлетворяет повы­ шенным требованиям к герметичности по сравнению с конусной развальцовкой (ГОСТ 13954—68).

Испытанию подвергались соединения трубопроводов следую­ щих из материалов: сплав титана 7М и сталь Х18Н10Т. Испыта­ ния проводились на оборудовании, указанном в гл. VI, 7, на тех режимах, что и предыдущее соединение.

Величины пределов выносливости для этих соединений трубо­ проводов из титановых сплавов 7М и 0Т4-0 оказались равными для размеров труб 12X1,0 мм, 12X1,5 мм и 22XU0 мм, ст_і= 7— 10 кгс/мм2, 8,5—11 кгс/мм2 и 4,6—5,2 кгс/мм2, соответственно

Сравнение этих величин пределов выносливости показывает, дто усталостная прочность этих соединений, но с конической раз­ вальцовкой одинакова, а усталостная прочность соединений тру­ бопроводов с конической развальцовкой у стали Х48Н10Т в 2 ра­ за выше.

Эффективный коэффициент концентрации для этих соедине кий трубопроводов равен ßi;= 2,5—3,5, т. е. для этих соединений трубопроводов необходимы дальнейшие конструктивно-техноло­ гические усовершенствования по сравнению с соединениями тру­ бопроводов из стали Х18Н10Т ((!_! = 14—19 кгс/мм2).

Усталостная прочность соединений трубопроводов со сфери­ ческой развальцовкой из стали Х18Н10Т на 65—70% выше уста­ лостной прочности того же соединения, но с конусной разваль­ цовкой. Для соединения трубопроводов со сферической разваль­ цовкой сг_і = 19 кгс/мм2, а для соединения с конусной развальцов­ кой о_і = 11 кгс/мм2 для трубопроводов размером 16X1,0 мм.

Результаты испытаний соединений трубопроводов по 'внутрен­ нему конусу со штампованным сферическим концом трубы без ниппеля (см. рис. 1.3,в) из титановых сплавов 7М, ОТ4-0 и стали Х18Н10Т также показали, что величина предела выносливости соединений трубопроіводов из сплаівов титана 7М сг_і = 11 кгс/мм2 и ОТ4-0 о-і = 10 кгс/мм2 меньше на 25—30%, чем у таких же сое­ динений трубопроводов из стали Х18Н10Т (о_і=44—15 кгс/мм2) для трубы размером 22x4,0 мм.

Величина предела выносливости соединений трубопроводов со штампованным сферическим концом трубы одинакова с вели­ чиной соединения трубопроводов по наружному конусу (с кони­ ческой развальцовкой) из материала — сталь Х18Н10Т.

Разрушение этих соединений трубопроводов происходило в сечении 1— 1 (см. рис. 1.3,в).

230

Величина предела выносливости разъемных паяных соедине­ ний трубопроводов с упругим элементом (ниппелем — см. рнс. 1.3,0) будет абсолютно одинакова с паяными соединениями трубопроводов по внутреннему конусу, так как концепторы

6. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫ НОСЛИВОСТИ БЕСКРНУСНЫ Х (БЕЗ РАЗВАЛЬЦОВКИ) СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ

По сообщениям некоторых американских фирм, соединения это­ го типа (см. рис. 1.4), не требуя сильной затяжки для достиже­ ния герметичности, более устойчивы в эксплуатации, чем стан­ дартные соединения с конической развальцовкой концов труб.

В нашей, стране разработан ГОСТ 15763—70 на данный тип соединения.

Испытания соединений без развальцовки проводились на тру­ бах из нержавеющей стали с наружным диаметром 12 мм и толшиной стенки 0,9 мм.

По результатам отечественных исследований было установле­ но, что величина предела выносливости данных соединений рав­

Исследованию подвергались образцы неразъемных соединений трубопроводов, изготовленных из сталей Х18Н10Т и ВНС-2 и ти­ танового сплава 7М (см. рис. 1,5) [31].

Неразъемные соединения трубопроводов были изготовлены с муфтами различной конфигурации (точеные — I вариант, точе­ ные с улучшенной конструкцией — II вариант, штампованные-— III вариант), спдяные токами высокой частоты и сварные трубо­ проводы встык аргоно-дуговой сваркой.

Испытания проводились на оборудовании, указанном в гл. VI, 7 со схемой крепления трубопроводов на вибростенде, приведен­ ной на рис. 7. 7.

Частота нагружения 200±10 Гц.

Разрушение паяных соединений трубопроводов происходило по торцу муфты, а в сварочных трубопроводах встык по сварно­ му шву (см. рис. 7. 8).

Результаты проведенных исследований приведены в табл. 7. 9. Как видно из табл. 7.9 все паяные неразъемные соединения имеют большой эффективный коэффициент концентрации ßK~ ~3—5 для стали ВНС-2, ßK~2—2,5 для стали Х18Н10Т, ßK=

= 3—3,5 для сплава титана 7М.

231

Т а б л и ц а 7.9

Величины пределов выносливости неразъемных соединений трубопроводов

* Концы соединяемых труб покрыты слоем никеля.

Рис. 7.7. Схема крепления неразъемных паяных и сварных соединений тру­ бопроводов на внбростенде

Кроме того, паяные соединения трубопроводов с точеной муфтой (I вариант) из материалов марки сталь ВНС-2 и сплава

232

титана 7М обладают также очень низкой усталостной проч­ ностью по сравнению с усталостной прочностью разъемных сое­ динений трубопроводов из стали Х18Н10Т, широко применяемых

в настоящее время.

Величины пределов выносливости неразъемных и разъемных соединений-трубопроводов из стали Х18Н10Т почти одинаковы.

Рис. 7.8. Характер разрушения не­ разъемных паяных ( а ) и сварных

(б) соединений трубопроводов после их испытаний

т

S)

Основными факторами, обусловливающими низкую величину усталостной прочности паяных соединений с точеной муфтой для трубопроводов из стали ВНС-2 и титанового сплава 7М, очевид­ но, являются:

—■разупрочнение материала трубопроводов в зоне пайки, вследствие проникновения ъ него элементов припоя;

—разупрочнение материала трубопровода в зоне пайки, вследствие нагрева и его охлаждения (режимы пайки и термооб­ работки после получения труб в состоянии поставки не одина­ ковы) ;

—большие жесткостные характеристики соединительной то­ ченой муфты по сравнению с трубопроводом и как следствие на­ личие значительной концентрации напряжения.

После исследования влияния различных марок припоев, мик­ роструктуры, однократного и многократного нагрева на уста­ лостную прочность неразъемных паяных соединений трубопрово­

233

дов была улучшена конструкция муфты (для снижения концент­ ратора напряжения муфта на обоих концах имеет ступенчатую форму — II вариант), а концы соединяемых труб были покрыты слоем никеля.

Величины пределов выносливости таких соединений трубопро­ водов были увеличены почти в два раза и стали равны величи­ нам пределов выносливости разъемных соединений трубопрово­ дов из стали Х18Н10Т.

С целью снижения трудоемкости изготовления соединитель­ ных муфт они были получены с помощью штамповки на установ­ ке с гидроприводом резиной (III вариант).

О сварных соединения трубопроводов встык можно сказать, что их пределы выносливости одинаковы с разъемными соедине­ ниями трубопроводов по наружному конусу из стали Х18Н10Т.

Однако следует отметить, что большую трудность обеспече­ ния несмещения и отсутствия перекоса свариваемых торцев труб, особенно трубопроводов диаметром до 12 мм (вкл.), кото­ рые приводят к резкому снижению пределов выносливости и по­ явлению большого количества брака трубопроводов.

8. ВЛИЯНИЕ БАЗЫ ИСПЫТАНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫНОСЛИВОСТИ

РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ

Предел выносливости различных видов соединений определяли на базе N=10! циклов. Учитывая, что срок службы некоторых машин может потребовать большей долговечности, чем в преде­ лах 'ІО7 циклов, были проведены усталостные испытания на базе Л/=108 циклов. Для испытаний различных видов соединений на различных базах использованы соединения трубопроводов, вы­ полненные из стали Х18Н10Т по ГОСТ 13954—68, ГОСТ 16039— 70, соединения трубопроводов с обкатанными ниппелями (6= 0) и конической поверхностью ниппеля, а также паяные и сварные разъемные трубопроводы (см. рис. 1.2 а, д).

Изготовление раструба соединений по наружному конусу про­ изводилось роликовой развальцовкой. Паяли соединения газовой горелкой и токами высокой частоты (т. в. ч.). Неразъемные свар­ ные соединения трубопроводов встык аргоно-дуговой сваркой с продувкой аргоном через внутренний диаметр трубы. Результаты проведенных испытаний для различных видов соединений трубо­ проводов приведены на рис. 7. 9, из которых видно, что у соеди­ нений по наружному конусу с развальцованным раструбом изго­ товленных из стали Х18Н10Т, с увеличением базы усталостных испытаний предел выносливости не меняется, а у соединений по внутреннему конусу, паянных газовой горелкой и т. в. ч., с уве­ личением базы усталостных испытаний происходит снижение

234"

пределов выносливости. Эти результаты свидетельствуют о том, что для паяных соединений трубопроводов по внутреннему кону­ су следует определять условный предел 'выносливости в соответ­ ствии с ресурсом изделия.

Для соединения трубопроводов по наружному конусу база испытаний была принята ІО7циклов.

Рис. 7.9. Результаты усталостных 'Ис­ пытаний различных соединений тру­ бопроводов .размером 10X0,75 мм (5) и 12x0,9 мм 1—4 из стали Х18Н10Т па базе JV= 10s циклов:

нормаль АН-18-18 (паяные соединения); -/— соединение трубопроводов без зазора 6=0 с

Снижение усталостной прочности соединений трубопроводов по внутреннему конусу связано с межкристаллитный проникно­ вением припоя по границам зерен металла трубопровода, а так­ же с изменением структуры материала. Структура основного ма­ териала трубопроводов в зоне перехода к наплавленному слою соответствует 4—5 баллам, величина зерна основного материала вдали от зоны сварки соответствует 7—8 баллам стандартной шкалы ГОСТ 5639—51.

Разрушение образцов соединений трубопроводов по внутрен­ нему конусу происходит в местах пайки.

9. ВЛИЯНИЕ МАСШТАБНОГО ФАКТОРА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫНОСЛИВОСТИ

РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ

К настоящему времени проведено достаточно большое число, ра­ бот, посвященных влиянию масштабного фактора на прочность, в которых установлено, что величина предела выносливости за­ висит от абсолютных размеров деталей; например, с увеличением размеров деталей величина предела выносливости понижается. В первую очередь это наблюдается у деталей, имеющих концент­ раторы напряжений. В зависимости от материала образца и фор­

235

мы концентратора напряжении снижения предела усталости мо­ гут составить величину 20—30% при увеличении диаметра от 7,5 до 30—50 мм.

Однако работ, связанных с изучением влияния масштабного фактора на усталостную прочность трубопроводов и их соедине­ ний; до последнего времени в печати не появлялось.

Поэтому необходимо было выяснить, как изменяется величи­ на предела выносливости у различных типов соединении трубо­ проводов из сталей Х18Н10Т, ВНС и титанового сплава 7М.

т.в. ч.

Втабл. 7. 10 приведены экспериментальные данные для сое­ динений трубопроводов из стали Х18Н10Т, в табл. 7. 11 для

стали ВНС-2 и в табл. 7. 12 для сплава титана 7М.

Из табл. 7. ;10—7. 12 видно, что для всех типов соединении трубопроводов с увеличением их диаметра происходит снижение характеристик выносливости на 20—40%.

Такое понижение пределов выносливости различных соедине­ ний трубопроводов объясняется не только масштабным факто­ ром, но и увеличением эффективных коэффициентов концентра-

236

ции напряжений для различных 'видов соединений трубопроводов при переходе к большим диаметрам.

10. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫНОСЛИВОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ СЛОЖНО-НАПРЯЖЕННОМ с о с т о я н и и

Результаты усталостных испытаний, приведенные в данной гла­ ве для различных типов соединений трубопроводов из материа­ лов сталей Х18Н10Т, ВНС-2 и титанового сплава 7М были полу­ чены на сухих трубках, т. е. без заполнения их жидкостью.

Однако трубопроводы, работающие в реальных условиях, кроме изгибных колебаний подвержены и напряжениям от сил внутреннего давления жидкости, а также и монтажным напря­ жениям, заложенным при монтаже трубопроводов с его неточ­ ностями.

237

В процессе поперечных колебаний материал трубопровода испытывает не только изгиб, на него действует растягивающая сила, так как опоры неподатливы. Указанная сила — переменяя, и зависит от величины прогиба и приложена как в зоне сжатия, уменьшая напряжения сжатия, так и в зоне растяжения напря­ жения и наоборот. Следовательно, цикл несимметричный.

Испытанию подвергались соединения трубопроводов по на­ ружному конусу из стали Х18Н10Т н титанового сплава 7М раз­ мерами 12X 1,0 мм и 12X1,5 мм соответственно. Заполненные

А— фактическая неточность и неточность, начиная с которой монтируемое сечение не возвращается в положение до

монтажа.

Результаты усталостных исследований приведены в табл. 7.13.

Т а б л и ц а 7.13 Величины пределов выносливости соединений трубопроводов по наружному конусу при сложно-напряженном состоянии

вого сплава 7М размерами 18X0,5 мм и 22X0,5 мм соответствен­ но приведены в табл. 7. 14, а в табл. 7. 15 для соединений трубо­ проводов со сферической развальцовкой из титановых сплавов 7М и ОТ4-0 размером 12х 1,0 мм.

Приведенные результаты усталостных испытаний соединений трубопроводов при сложно-напряженном состоянии позволяют сделать следующие выводы:

238-

Т а б л и ц а 7.14

Величины пределов выносливости соединений трубопроводов с врезающимся кольцом при сложно-напряженном состоянии

Т а б л и ц а 7.1S

Величины пределов выносливости соединений трубопроводов со сферической развальцовкой при сложно-напряженном состоянии

— загрязнение и развитие усталостных трещин в материалах трубопровода при нагружении соединений монтажными, пере­ менными напряжениями и напряжениями от действия сил внут­ реннего статического давления рабочей жидкости происходит во внешних поверхностных слоях в зоне перехода цилиндрической части трубопровода в раструб. При наличии монтажных напря­ жений очаги усталостного разрушения обязательно располага­ ются в предварительно растянутой области; малые предвари­ тельные пластические деформации в материале трубопровода, вызванные статическим изгибающим моментом от монтажной неточности «несоосности», приводят к резкому снижению уста­ лостной прочности соединений как при нормальных, так и при повышенных температурах. Так при увеличении предварительной пластической деформации от 0,00 до 1,25% происходит падение усталостной прочности соединений при нормальных температу­ рах на 31—42%, а при повышенных температурах (до 350° С) на 37,5%, что объясняется снижением механических характеристик материалов в области предварительных малых пластических де­ формаций:

„ Л „

— величину монтажных неточностей — =2 не рекомендуется превышать, так как при этом резко снижается надежность

239