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

Частота изменения поперечных колебании меняется в широ­ ком диапазоне примерно от 1 до 1000 Гц, причем в одно и то же время на трубопровод воздействуют различные возмущающие силы с разными частотами. Например, одновременно на трубо­ провод воздействует пульсирующий поток рабочей жидкости с частотой пульсации давления 200—1000 Гц п инерционные на­ грузки ротора двигателя (200—400 Гц), пульсирующий газовый поток в камере сгорания и виброперегрузки при пробеге и взлете. Количество возмущающих сил может быть и значительно боль­ шим, чем указано в примере. Все зависит от рассматриваемого случая.

Возмущающие силы, вызывающие поперечные колебания тру­ бопроводов, действуют, как правило, в различных плоскостях, что приводит к сложным формам колебаний трубопроводов с различными амплитудами.

Трубопроводы, смонтированные в магистралях потребителей, обычно подвергаются низкочастотным колебаниям, вызываемым' изгнбными и крутильными колебаниями фюзеляжа и крыла и виброперегрузкамп. К таким относятся трубопроводы, смонти­ рованные вдали от источников высокочастотных периодических колебаний (двигателей, насосов, воздушных винтов и т. д.).

К сопутствующим нагрузкам, вызывающим поперечные ко­ лебания, относятся центробежные силы несбалансированных вра­ щающихся узлов и деталей, вследствие конструктивной недора­ ботки II проч. Сопутствующие нагрузки при этом могут возбуж­ дать значительно большие напряжения в трубопроводах, чем возникающие от действия основных нагрузок.

8 ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ УСЛОВИИ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ИЗДЕЛИЙ

В процессе эксплуатации изделий и гидропередач трубопроводы подвергаются влиянию внешних условий, которые заключаются в агрессивности рабочих сред, транспортирующихся по трубо­ проводам, и іво влиянии внешней среды: атмосферы или же сре­ ды, в которой размещена трубопроводная система.

Влияние среды может значительно снизить статическую и ус­ талостную прочность трубопроводов, если они предварительно не будут защищены от влияния среды соответствующими защит­ ными покрытиями, то в процессе эксплуатации может произой­ ти их разрушение. Прочность снижается при этом в несколько раз по сравнению с первоначальными прочностными характери­ стиками, а в отдельных случаях это снижение происходит бес­ предельно, доводя металл до разрушения под действием собст­ венного веса.

Такое снижение прочностных характеристик металлов и спла­ вов происходит под действием адсорбции инородного тела внутрь металла, либо под действием коррозии.

51

Процесс адсорбции заключается в молекулярном сродстве жидкой среды пли газа с металлом. В результате адсорбции ак­ тивных компонентов среды на поверхности циклически нагру­ жаемого металла облегчается образование микротрещин. После образования мнкротрещпн в них проникает под действием капил­ лярных сил окружающая среда. При этом еще до заполнения трещин жидкостью отдельные ее молекулы, твердость которых очень велика, проникают внутрь трещин, мигрируя по ее стен­

кам.

Адсорбция поверхностно-активных молекул на стенках тре­ щин в процессе их развития приводит к разрыхлению металла з зоне трещин. Кроме того, в период сжатия адсорбционные слои препятствуют смыканию трещин, что приводит к дальнейшему их

развитию.

В соответствии с электрохимической теорией коррозионной усталости [8, 22] на поверхности металла появляются местные изъязвления, на дне которых вследствие концентрации напряже­ ний возникает более положительный потенциал, чем у стенок пли у внешней поверхности металла. Поэтому дно изъязвлений стано­ вится анодным участком, способствуя этим дальнейшей коррозии п углублению изъязвлении. Процесс коррозии идет до тех пор, пока под влиянием циклического нагружения, усиленного кон­ центрацией напряжений в данном месте металла, не будет прев­ зойден предел прочности и не образуется трещина усталости.

Как показали работы советских ученых в этой области, акад. Ребиндера П. А. [28], проф. Лнхтмана В. И. и Карпенко Г. В. [22], такой подход к объяснению явления коррозионной устало­ сти не дает полной картины происходящих при этом процессов.

Коррозионным процессам, протекающим на поверхности ме­ талла всегда предшествуют процессы адсорбции, заключающие­ ся в образовании значительного числа в основном внутри кристаллов микротрещин, содержащих продукты окисления, по­ скольку любая коррозионная среда является поверхностно-актив­ ной средой. Лишь на следующих этапах, когда коррозионная среда проникает в эти микротрещины и в них накапливаются продукты коррозии, объем которых, как правило, превышает объем металла, из которого они образовались, адсорбционные явления уступают чисто коррозионным явлениям, которые за­ ключаются в том, что в момент протекания местной пластиче­ ской деформации под действием циклических напряжений зна­ чительно облегчается выход ион-атомов металла в раствор под действием разности потенциалов между дном трещины и ее степкями.

9. ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ ТРУБОПРОВОДОВ

Все встречающиеся при эксплуатации дефекты трубопроводов можно свести в следующие группы:

52

разрушение и наклеп по развальцованной части или вблизи нее;

разрушения в, местах изгиба сечения; разрушения по месту сварки или пайки; разрушения и потертости в зоне крепления; разрушения из-за низкого качества материала; негерметичность соединений трубопроводов.

Большую чабть дефектов составляют различные виды разру­ шений, значительно меньшую — течи в соединениях.

Результаты анализа дефектов [18, 29] показали, что из обще­ го числа дефектов около 80% приходится на разрушения и око­ ло 20% — на негерметичность в соединениях.

Разрушения в зоне развальцованной части. Этот вид разру­ шения связан в основном с некачественным выполнением раз­ вальцовки. Как известно, в практике для. развальцовки трубо­ проводов часто применяют вращающийся конус. В процессе та­ кой развальцовки вручную или на станке образуется смятие, наволакивание материала, а также вследствие утонения мате­ риала может стать неравномерной толщина стенки. Станочный способ хотя и совершеннее ручного, но также создает утонение стенки н образует наволакивание материала.

Образованию трещин в зоне развальцованной части могут способствовать расслоение материала и продольные трещины вследствие некачественного материала, а также наличие скла­ док, рисок и волосовин на внутренней поверхности трубы из-за некачественного ее изготовления и несоответствия углов разваль­ цованной части трубопровода и конусной части штуцера. В ре­ зультате такого несоответствия углов'нарушается герметичность соединения. Возникающую течь стараются устранить подтяж­ кой, что приводит к деформациям конуса и образованию трещин на развальцованной части трубы.

В процессе развальцовки у основания конуса происходит утонение стенки. Это ослабление, а также изменение жесткости трубы в данном месте создает концентрацию напряжения, кото­ рая приводит к образованию трещин, идущих по окружности у основания развальцованной части.

Разрушение происходит по основанию развальцованной ча­ сти. Длина трещин составляет почти половину длины окружно­ сти. Причиной разрушения могут явиться монтажные напряже­ ния, поперечные колебания трубопровода пли соединенных с ним агрегатов гидросистемы.

Из других дефектов трубопроводов, встречающихся в зоне развальцованной части, можно отметить вытягивание разваль­ цованного конуса из ниппеля, утопание развальцовки в ниппеле, трещины на ниппелях и заклинивание их в гайках, кольцевые выработки на внутренней поверхности развальцованного конуса. Основной причиной вытягивания развальцовки из ниппеля мож­

53

но считать перетяжку накидной гайки, приводящую к недопу­ стимой деформации развальцованного конуса (уменьшение угла развальцовки, искажение поперечного сечения).

Возникновение дефекта возможно из-за невысокой жестко­ сти развальцованной части, чрезмерного утонения толщины стен­ ки при изготовлении трубопроводов.

Общее число таких дефектов незначительно.

Утопание развальцованной части трубы в ниппеле происхо­ дит вследствие тех же причин. Этот дефект встречается значи­ тельно чаще предыдущего. Например, при дефектации трубопро­ водов на 7 изделиях в процессе их ремонта обнаружено в общей сложности около 70 подобных неисправностей.

Продольные трещины на ниппелях встречаются сравнительно редко. Причинами таких дефектов может оказаться недостаточ­ ная пластичность материала ниппеля вследствие перезакалки его при термообработке и значительные напряжения, возникающие при посадке его с натягом на трубопровод или затяжке накидной ганки.

Заклинивание ниппелей в накидных гайках довольно частое явление. Этот дефект явно производственный и вызван несоответ­ ствием диаметральных размеров гайки, ниппеля и трубопрово­ да, а также приклеиванием ниппеля к трубке вследствие затека­ ния краски в зазор между трубкой и ниппелем при изготовлении. При осмотре только одного из изделии указанный дефект обна­ ружен 41 раз.

Кольцевые выработки на внутренней поверхности развальцо­ ванного конуса возникают из-за несоответствия углов конуса и штуцера. В результате этого поверхность штуцера к внутренней поверхности конуса прилегает по кольцевой линии. В сочетании с усиленной затяжкой и вибрацией трубопровода происходит ускоренная выработка рабочей поверхности п образование коль­ цевых трещин.

При обследовании трубопроводов гидравлической системы одного из изделий число таких дефектов составляло 4%

от общего числа всех дефектов гидравлической системы. Разрушения в местах изгиба сечения. Статистика показыва­

ет, что большое количество трещин, расположенных вдоль обра­ зующей, наблюдается в местах изгиба трубопровода.

Установлено, что возникновение трещин вдоль образующей, как правило, связано с наличием овальности поперечного-сече­ ния трубопровода и колебаний внутреннего давления жидкости.

Колебания внутреннего давления жидкости приводят к изме­ нению форм контура поперечного сечения трубы. При этом воз­ растающее давление стремится придать контуру форму, близкую к окружности. При уменьшении же давления трубопровод ввиду упругих свойств металла стремится принять овальную форму, полученную при его изготовлении.

54

Анализ разрушений этого типа показал, что поверхность из­ лома носит усталостный характер. Она имеет две зоны: собствен­ но усталостного развития трещины и хрупкого излома.

Развитие трещин идет от внутренней поверхности трубы к внешней, что вполне понятно, ибо наиболее нагруженные участки расположены на внутренней поверхности.

Разрушения по месту пайки или сварки. Эти разрушения име­ ют также усталостный характер и являются следствием попе­ речных колебаний трубопроводов. При этом оказывается, что границы сварного пли паяного шва бывают наиболее слабым ме­ стом по следующим причинам:

концентрация напряжений в месте перехода более жесткой конструкции ниппеля через усиление сварного или паяного шва в менее жесткую .конструкцию трубы;

снижение прочности материала трубы в зоне сварного шва, связанное с изменением структуры материала при температуре сварки в месте перехода от сварки к материалу трубы;

наличие сварочных напряжений, снижающих в месте сварки усталостную прочность трубопровода;

возможность хрупких разрушений соединений в связи с меж­ кристаллитный проникновением припоя.

На проникновение припоя по границам зерен могут влиятьнапряжеиия от внешних и внутренних сил, способ нагрева и со­ став применяемого припоя. В отдельных случаях разрушение на­ ступает- из-за некачественного выполнения сварного шва, кото­ рый может иметь следующие пороки:

шов плохо проварен; в материале шва имеются раковины и поры (в этом случае при изготовлении микрошлифа по месту дефекта четко вырисовывается граница непровара);

образование пережогов вследствие нарушения режима свар­ ки и другие пороки.

Разрушения и потертости в зоне крепления. Эти дефекты воз­ никают при наличии поперечных вибраций трубопроводов. Раз­ витие трещины начинается от внешней поверхности трубы и рас­ пространяется по окружности трубопровода. Трещины, как пра­ вило, возникают вблизи зажимов или колодок крепления.

Поверхность излома всегда содержит две ломы: собственно усталостного развития трещины и зону хрупкого излома.

Часто зона усталостного излома занимает очень малую, а зо­ на хрупкого излома — большую площадь. Это по-видимому сви­ детельствует о том, что трубопровод имел высокие монтажные напряжения и подвергался значительным перегрузкам. При на­ личии высоких монтажных напряжений даже вибрации с неболь-

. шой амплитудой приводят к усталостным разрушениям. Монтажные напряжения иногда возникают при неудачном

креплении двух трубопроводов разного диаметра общими колод­ ками. При этом, подгибка одного из них создает дополнительные напряжения во втором.

55

Усталостные разрушения трубопроводов возникают особен­ но быстро при наличии резонанса (механического или парамет­ рического) .

Наблюдалось, что при колебаниях опоры трубопровода, уста­ новленной на корпусе авиадвигателя с амплитудой всего в 0,021 мм, колебания одного из участков трубопровода достигали 8—9 мм. Это свидетельствовало о резонансном режиме колеба­ ний, вследствие которого у трубопровода образовалась усталост­ ная трещина вблизи одной из опор. В другом случае в гидрав­ лической системе одного из самолетов возникали пульсации дав­ ления жидкости .в трубопроводах с частотой 70 Гц и амплитуда­ ми давления, более чем вдвое превышающими его рабочее зна­ чение. Один из участков трубопровода размером 15x13 мм имел также частоту собственных поперечных колебаний 70 Гц. При возникновении пульсаций давления жидкости в трубопроводе по­ следний начинал колебаться с амплитудой 10—12 мм, т. е. воз­ никал параметрический резонанс. Такие колебания приводили также к образованию усталостных трещин.

Разрушения по причине некачественного материала трубо­ проводов. Материал трубопроводов может иметь целый ряд де­ фектов, которые иногда оказываются очагами возникновения ус­

талостных трещин.

Внутренняя поверхность, которая у трубопровода является наиболее нагруженной, может иметь продольные риски — воло­ совины, микротрещины п шероховатости, закаты, неоднородность материала, которые при наличии давления в трубопроводе при­ водят к раскрытию свища, волосовин и др.

Все эти дефекты относятся к категории случайных, по при работе трубопровода с переменными нагрузками (при перемен­ ных давлениях рабочей жидкости) они могут явиться очагом разрушения.

Например, произошло разрушение трубопровода размером 10x8,5 мм из материала Х18Н10Т при испытании его под пуль­ сирующим давлением. Разрушение возникало сразу же после установки его на экспериментальный стенд и включения пуль­ сирующего давления с номинальным значением 125 кгс/см2. Ис­ следования поверхности излома показали, что на наружной по­ верхности трубы имелась производственная риска, идущая в глу­ бину примерно на 1/2 толщины стенки. Развитие трещины началось от этой риски.

Обычно при продольных трещинах развитие последних про­ исходит от внутренней поверхности к внешней. В данном случае ввиду наличия концентрации напряжений на внешней поверхно­ сти трубы в виде риски эта закономерность была нарушена.

Негерметичность соединений трубопроводов. Этот дефект можно устранить при эксплуатации подтяжкой соединений. Од­ нако частые подтяжки соединения создают перенапряженность материала у соединяемых элементов, так как при каждой после-

56

Г л а ва ІИ.

КОЛЕБАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Большинство разрушений трубопроводов связано с возбужде­ нием в них значительных уровней переменных напряжений, воз­ никающих при колебаниях трубопроводов.

В отличие от стержневых систем трубопроводные системы наполнены жидкостями или газами. Естественно, что влияние рабочей среды может оказать существенное влияние на динами­ ческие характеристики трубопроводов.

Настоящая глава посвящена анализу динамических характе­ ристик трубопроводов и методам демпфирования их свободных колебаний.

1. СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Под действием мгновенно приложенной (импульсной) нагрузки трубопровод совершает свободные колебания. Уравнение коле­ бания трубопровода в этом случае можно получить через урав­ нение второго закона Ньютона для элемента струны dS, натя­ жение которой Т будем считать постоянным.

Предположим, что деформированная ось струны во время ко­ лебаний описывается функцией у(х, /), причем ордината у ме­

няется как с перемещением вдоль струны, так и с течением вре­ мени [1].

Вертикальная составляющая натяжения струны Т, действую­ щего влево в некоторой точке х (рис. 3.1, а), равна

Величина Т отрицательна, так как составляющая направлена вниз, в то время как положительные значения у откладывают­ ся вверх. Здесь берется частная производная вследствие того, что струна рассматривается в некоторый определенный момент вре­ мени, т. е. время 't остается постоянным при дифференциро­ вании.

На правую часть взятого элемента dx действует вертикальная составляющая натяжения, равная

58

стание наклона кривой вдоль оси х.

Так как две вертикальные составляющие, действующие на элемент слева и справа, между собою не равны, то получается

д-ч

равнодействующая Т ——сіх, которая сообщает элементу уско-

дх-

ренне, направленное вверх.

Если обозначить массу единицы струны через ш:, то масса элемента dx будет равна niidx и тогда по закону Ньютона имеем

В этом уравнении член справа выражает силу инерции. Решая уравнение (3.4), предположим, что струна колеблется

59