Способ усиления полого тела вращения типа трубопровода или емкости,работающего под давлением Советский патент 1987 года по МПК F16L9/04 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для усиления полых тел вращения типа трубопровода или емкости, работающих под давлением.

Цель изобретения - максимальное использование механической прочности усиливающего профиля.

На фиг. 1 изображена схема, иллюстрирующая способ усиления полого тела вращенияj на фиг. 2 - отрезок трубопровода, частично покрытого внешней обмоткой, полученной из профиля согласно предлагаемому способу; на фиг. 3 - профиль, поперечный разрез; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 5 - кривые моду- ля упругости стали трубопровода (а), материала профиля, намотанного без напряжения (Ь) и с напряжением (c)i на фиг. 6 - кривые напряжений, возникающих в материале трубопрово- да (d)n материала профиля (f).

В соответствии со способом получен стальной цилиндрический трубопровод 1, содержащий среду под давлением, на который намотан с натяжением по спирали усиливающий гибкий профиль 2 с прилегающими друг к дру- .гу витками 3, прикрепленный к трубопроводу 1. Гибкий профиль 2 выполнен из материала, предел упругости которого вьппе предела упругости материала трубопровода 1, причем величина натяжения и толщина витков 3 профи- ля 2 выбраны такими, чтобы обеспечить достижение максимальных напряжений, возникающих в витках 3 профиля 2 и трубопроводе 1, в одно и то же время.

Для осуществления способа вращают трубопровод Г (фиг. 1) вокруг оси Х-Х, причем профиль 2 подводится к трубопроводу 1 из бобины 4, установленной с вращением на оси Y-Y, вокруг которой спирально намотан профиль 2. Бобина 4 является подвижкой вдоль оси Y-Y, чтобы позволить профилю 2 наматьшаться вокруг трубопровода 1 по соприкасающейся витками 3 винтовой линии.

Натяжение намотки витков 3 профиля 2 регулируется с помощью тормозного устройства 5, расположенного, между трубопроводом 1 и бобиной 4. Это тормозное усуройство 5 содержит .два ролика 6 и 7, опирающихся на профиль 2.

Профиль 2 (фиг. 3) содержит волокна 8, покрытые синтетической смолой 9, причем волокна 8 проходят в продольном направлении профиля 2.

Волокна 8 могут быть минеральными, такими как стекловолокно, асбестовое волокно, волокна бора или углерода. Также они могут быть выполнены из достаточно прочного,органического материала, такого как кевлар. Профиль 2 при намотке наклеивается на трубопровод 1, а также на нижележащие слои обмотки, образуемой

профилем 2.

Смола 9 профиля 2 преимущественно является термопластичной смолой, та кой как полиамидная или полихлорвиниловая, что позволяет осуществить

.прикрепление гибкого профиля 2 на трубопроводе 1 и на предшествующей обмотке профиля 2 посредством, термо плавления или термоприклеивания.

Для осуществления термоприклеива ния достаточно поместить под профиль 2 вблизи от трубопровода 1 патрубок 10, выдувающий горячий воздух (фиг.1). Воздух нагревается, например,.с помощью электронагревательного сопротивления 11, намотанного вокруг патрубка 10 до температуры, достаточной для обеспечения поверхностного плйв- Iления смолы 9 профиля 2, что позволяет получить при намотке наклеивание

профиля 2 на трубопровод 1 и склеивание разных витков 3 обмотки профиля 2.

Чтобы облегчить приклеивание, необходимо нанести на внешнюю поверхность трубопровода 1 первичный клею- щийся слой 12 (фиг. 4). Кроме того, выгодно, чтобы витки 3 обмотки профиля 2 были расположены в шахматном порядке по разным последовательным слоям.

Для получения профиля 2, имеющего необходимые сопротивление растяжению- и модуль упругости, необходимо, чтобы профиль 2 содержал минеральные волокна по крайней мере в 50% своего

объема. Это условие осуществляется когда синтетическая смола 9 содержит стекловолокна по меньшей мере 70% от веса.

Такой профиль 2 из волокон 8, покрытых смолой 9, может быть получен посредством экструзии, импрегнирова- ния или анало.гичными способами.

Профиль 2 имеет небольшую толщину 8р , что позволяет ограничить отношение натяжений, возникающих из-за радиуса кривизны, при намотке во внешних волокнах 8 к натяжениям, возникающим во внутренних волокнах 8. Толщину S, определяют так, чтобы упомянутое отношение было ниже 1,2, При этих условиях натяжение, создаваемое во внешних волокнах 8, не превьшает 20% натяжения, создаваемого во внутренних волокнах 8.

Витки 3 профиля 2 наклеены на трубопровод 1 и один на другой так, что полученное покрытие является герметичным настолько, что трубопровод

1оказывается одновременно эффективн защищен по отношению к коррозии. Кроме того, это покрытие одновременно дает трубопроводу 1 легкую термоизоляцию, что позволяет обеспечить

по трубопроводу 1 транспортировку жидкости с низкой или высокой температурой.

Пример, Характеристика трубопровода 1: сталь X 52, внешний диаметр 61 см, толщина стенки 7,92 мм, предел упругости 36,5 кг/мм .

Характеристики профиля 2: вид смолы: полиамидная, вид волокна: стеклянное, процент волокон: 70% веса, предел прочности при растяжении 136,5 кг/мм , модуль упругости 4500 кг/мм.

На фиг. 5 кривая а изображает модуль упругости стали трубопровода, кривая Ъ- - модуль упругости профиля

2в случае, когда последний намотан без натяжения вокруг стального трубопровода 1.

При пределе, упругости трубопровода 1 36,5 кг/мм удлинение А равно 0,3825%. В этих условиях напряжение S, возникающее в профиле 2, равно только 17,2 кг/мм, т.е. 0,126 от своего предела прочнЬсти, который равен 136,5 кг/мм. Следовательно, механические свойства профиля 2 используются недостаточно, когда он намотан без натяжения вокруг трубопровода 1 ,

Если намотка профиля 2 осуществи ляется с натяжением, соответствующим удлинению А, равному 1% профиля 2, получают для последнего кривую с. В таком случае получают при пределе упругости стали трубопровода 1 напряжение S в профиле 2,равное 62,2 кг/мм т.е. только 0,456 от его предела прочности, что является достаточным.

Тот же результат может быть получен с намоткой профиля 2, осуществляемой без натяжения (кривая Ь), но с расширением трубопровода 1. Однако расширение трубопровода 1 достигает в этих услов иях величины 1,1%, которая заметно выше предела упругости стали. Следовательно, имеет место значительная и недопустимая деформация стали трубопровода 1.

Чтобы осуществить оптимальное усиление или стягивание трубопровода 1 с помощью смоло-волокнистого профи-

ля 2, задаются максимальным напряжением S , допустимым для профиля 2 и для стального трубопровода 1, и подсчитывают толщину S, обмоток профиля 2, накладываемого вокруг трубопровода 1, таким образом, чтобы окружное напряжение, вызываемое внутренним давлением, было распределено пополам между трубопроводом 1 и профилем 2, и чтобы напряжения, способные

возникать в обмотках профиля 2 и в стальном трубопроводе 1, достигали своего допустимого максимума в одно и то же время.

Толщина о, равна

30

S, Si G,

5

0

5

0

5

где S - толщина стального трубопровода 1,

G и (5, - максимально допустимые напряжения, соответственно, для стали и смоло-волокнистого профиля 2.

В случае предьщущего примера С , 26,6 кг/мм ; G, 68,2 кг/ммЧ Следовательно, равно 3 мм. На фиг. 6 показаны напряжения, возникающие в смоло-волокнистом профиле 2 и в стальном трубопроводе 1.

Начало удлинений берется относи--, тельно стального трубопровода 1 (кривая d), испытывающего растяжение до своего предела упругости (Е). Кривая е, показанная штрихами, относится к стали перед расширением. Кривая f относится к профилю 2, намотанному без н атяжения на трубопровод 1.

Когда внутреннее давление трубопровода 1 является нулевым, предварительное напряжение (натяжение ки) в профиле 2 равно 56,3 кг/мм,

а предварительное напряжение (сжатие стали -21,7 кг/мм . Это предварительное напряжение обеспечивает сжатие стального трубопровода на 0,11%.

Когда трубопровод 1 находится под рабочим давлением, напряжение в стальном трубопроводе 1 равно 26,6 кг/мм, т.е. 0,73 Е (где Е - .предел упругости), и в смоло-волок- нистом профиле 2 - 67,5 кг/мм, т.е около 0,5R (R - сопротивление на разрыв этого профиля).

В этих условиях средний предел прочности при рабочем пределе комплекта равен 54% от среднего предела упругости комплекта, причем сталь деформируется пластически, вместо 73% в случае одной стали.

При пределе упругости Е стали предел прочности равен 61% от среднего предела упругости комплекта вместо 100% в случае одной стали.

Таким образом, возможно значительно улучшить .безопасность трубопроводов, предназначенных выдерживать внутреннее давление, удваивая рабочее давление. И.наоборот, дл

данного рабочего давления возможь о применять трубопроводы заметно мень meii толщины, что выражается значительным выигрышем в весе комплекта трубопровода порядка 45%.

Формула изобретения

Способ усиления полого тела вращения типа трубопровода или емкости, работающего под давлением, при котором на полое тело наматывают с натяжением по спирали гибкий профиль с

при,пеганием вплотную его витков и прикрепляют его к полому телу, о т- личающийся тем, 4TOj с целью максимального иопользования механической прочности профиля последний выполняется из материала,

предел упругости которого вьше предела упругости материала полого тела, а натяжения и толщины витков выбираются обеспечивающими достижение максимальных напряжений, возникающих в витках профиля и по- лом теле, находящихся под давлением, в одно и то же время.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для усиления полых тел вращения типа трубопровода или емкости, работающих под давлением. Цель изобретения - максимальное использование механической прочности усиливающего профиля. В способе используют гибкий профиль, который наматьшают с натяжением на полое тело с прилеганием вплотную его витков и прикрепляют его к полому телу, причем профиль выполняется из материала, предел уп- ругости которого выше предела упругости материала полого тела, а величины натяжения и толщины витков выбираются обеспечивающими достижение максимальных напряжений, возникающих в витках профиля -и полом теле, находящихся под давлением, в одно и то же время, 6 ил. см

г „

ФигЛ

Фиг.2

Фиг.д

. УчУ

ФигМ

кг/мм

О Q.20.mm и U82 2 Фиг. 5

Редактор А.Шандор

Составитель М.Кольцова

Техред М.Дидык Корректор С.Черни

Заказ 6305/58 Тираж 804Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,- г. Ужгород, ул. Проектная, k

Фиг.6