Биметаллический сильфонный компенсатор Советский патент 1993 года по МПК F16L51/02 

Фи. 1

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве труб для газопроводов и трубопроводов специального назначения.

Целью изобретения является повышение надежности сильфонного компенсатора при увеличенной компенсирующей способности.

Соотношение толщин слоев биметалла определяется из условия текучести матери ала слоев таким образом, чтобы материал компенсатора работал в области упругих обратных деформаций:

-

-

hi «2 +

hi +h2

Е At Оо,2,

Длина L меридиана среднего слоя биметаллического сильфонного компенсатора контура, очерченного по средине суммарной толщины стенки, определена эмпириче5 ски исходя из максимальной для всех существующих видов технологий горячего деформирования труб 30%-ной деформации:

10L 2 я-О.ЗР,

где R - радиус труб компенсируемого участка трубопровода.

Угол раскрытия р торовой части биме- 15 таллического сильфонного компенсатора определен из уравнения

Использование: трубопроводная техника, в частности производство, тру б, используемых для компенсации температурных изменений длины трубопроводов. Сущность изобретения: компенсатор в виде трубы 3 с гофром выполнен из биметалла, в котором наружный слой 1 имеет больший коэффициент теплового расширения, что обеспечивает увеличение его компенсирующей способности без повышения внутренних напряжений в материале компенсатора при его нагреве. 2 ил.

где hi и h2 - толщины .наружного и внутреннего слоев биметалла, а и ai - КТР наружного и внутреннего слоев биметалла, At- перепад начальной и конечной температур, Е - модуль упругости материала слоя биметалла с наибольшим значением, OQ,Z- предел текучести материала слоя биметалла с большим значением модуля упругости.

Эксперименатальные исследования биметаллических сильфонных компенсаторов показали резкое снижение способности компенсаторов к аномальной деформации при значительном уменьшении отношения hi/h2. Металлографический и рентгено- структурный анализ металла компенсаторов с малым отношением hi/h2 после температурных испытаний выявил пластическую деформацию в тонких слоях, особенно вблизи переходной зоны биметалла. Очевидно, что необратимая деформация тонкого слоя под воздействием температурных деформаций толстого слоя снижает эффект аномальной температурной деформации.

Напряжения, возникающие в наружном, активном слое биметаллического сильфонного компенсатора при хорошо описывается эмпирически выведенной зависимостью (1).

Конкретный пример выбора hi и h2 показан в табл. 1 для п ары слоев малоуглеродистая сталь - нержавеющая сталь исходя из приведенного неравенства, а также из условий прочности трубопроводов в реальных условиях.

Эксперимент по изготовлению биметаллических сильфонных компенсаторов с толстым наружным слоем (hi h2) из-за специфики деформирования наружного слоя с большим КТР показал значительные остаточные напряжения на контактном слое и возможность расслоения.

,

20

1с

0,

где с - аномальное осевое смещение сво-: бодных концов компенсатора друг относительно друга, установлено исходя из следующей зависимости:

2L ч ,ut)h4+(u«i4il)h, iftiCf T- с«ч - sin-----------------5т---у,

1ч a(h,+hl.(tfti4) г )

3k,-uzUt4E1Ezh,ht-tO et1bt)hi4-(«-odjAt)b, L

fclfr

a-pE.EziMhjph iCEX-Eih)

35

40

где Ei и Е2 - модуль упругости наружного и внутреннего слоев биметаллического сильфонного компенсатора.

Величины с и Доопределяются максимальной эффективностью компенсатора, показателем которой является угол р.

Количество гофров п на единицу длины трубопровода определено из формулы

a-At

5

0

5

где К - коэффициент защемления трубы в грунте (1 К 10), а- КТР материала труб компенсируемого участка трубопровода. А

Численные значения коэффициента К , расчеты труб, уложенных в земле, и конкретные примеры количества компенсаторов п приведены в табл. 2.

Конструкция предлагаемой биметаллической трубы-компенсатора показана на фиг. 1, где 1 - металлический слой с КТР «1,2- металлический слой с КТР as («1 02), 3 - прямолинейный участок трубы.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом. Изменение температуры трубопровода вызывает изменение геометрических размеров компенсатора,

причем наружный слой 1, имеющий больший КТР, чем внутренний слой 2, деформируется активнее, что приводит, благодаря диффузионному соединению слоев 1 и 2, к аномальному осевому смещению краев 4. связанных с прямолинейными участками трубопровода 3. Таким образом, обычное тепловое изменение длины участка трубопровода компенсируется аномальным тепловым осевым смещением краев 4 биметаллического сильфонного компенсатора.

Деформация биметаллического гофра при изменении температуры оценивалась тензометрически при помощи системы СИ- ИТ-2 + ЭВМ и тензорезисторов КФ5. Экспериментальныеисследованияпроводились в диапазоне температур (-8)- (-t-98)°C с использованием вакуумного термошкафа LABOR-402, Окончательные результаты оценивались путем замера расстояния между свободными концами гофра.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных тепловой деформации одного гофра биметаллического сильфонного компенсатора приведено в табл, 3.

На фиг. 2 показан биметаллический сильфонный компенсатор с гофрами, количество которых зависит от протяженности компенсируемого участка.

. Использование биметаллического сильфонного компенсатора с аномальными свойствами позволит, прежде всего, предотвратить разрушения за счет снижения на- пряжений в трубах. Кроме того, предлагаемый сильфонный компенсатор является еще и ловушкой для трещин посредством многократного изменения траектории трещины. Изобретение может быть использовано также в качестве гасителя

вибраций в трубопроводах.

Применение предлагаемого биметаллического сильфонного компенсатора позволит нейтрализовать одну из основных причин катастрофических разрушений трубопроводов - температурные напряжения. Формула изобретения Биметаллический сильфонный компенсатор, содержащий гибкий компенсирующий элемент с тороидальными гофрами, о тпинающийся тем, что гибкий компенсирующий элемент выполнен из биметалла, причем слой биметалла, расположенный на наружной поверхности гибкого элемента, имеет большой коэффициент теплового расширения, а соотношение толщин слоев биметалла определяется из зависимости

25

hi ai + ha а hi +h2

Е At оь,2 ,

0

5

где hi и ha - толщины наружного и внутреннего слоев биметалла соответственно;

ai и Ой- коэффициенты теплового расширения наружного и внутреннего слоев биметалла соответственно;

At- перепад начальной и конечной температур гибкого элемента;

Е - модуль упругости материала слоя биметалла с наибольшим значением;

о&,2 предел текучести материала слоя биметалла с большим значением модуля упругости.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Фиг. 2