Том 2. Технология (1041447), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Напряжения в стенке сферического резервуара определяют по формуле (21.14). Они в два раза меньше, нежели в цилиндрическом, при одинаковых радиусах и толщинах стенок. Поэтому вес сферических резервуаров меньше, но их сложнее изготовлять. 2б8 $ 4. Применение специальных сплавов для изготовления резервуаров и цистерн Большое распространение получило строительство резервуаров и различного рода химической аппаратуры, работающих при низких температурах. Для таких конструкций очень важно выбрать материал, не подверженный хрупким разрушениям. Для изделий, работающих при температуре до — 60"С, применяют углеродистые стали с небольшим содержанием никеля (1 — 3,5%). Для конструкций, работающих при более низких температурах, применяют стали, содержащие 5% никеля; при этом необходима специальная термическая обработка. Сварку резервуаров из этих сталей можно успешно производить дуговыми автоматами, легированной проволокой.
При этом допускаемые напряжения для сварных соединений составят около 200 МПа. Рис. 21.8. Резервуар из алюминиевого сплава Резервуары, работающие при низких температурах, нередко устанавливают на судах. В результате вибраций от волн в этих сосудах в процессе эксплуатации в отдельных случаях возникали трещины усталости. Сталь с содержанием никеля до 9% хорошо работает в таких условиях при температуре конструкции до — 160 С. Предел прочности при этой температуре 650 МПа.
Предел выносливости сварных соединений при пульсирующих нагрузках и обычном оформлении стыковых швов 100 — 110 МПа, а при последующей механической обработке 245 МПа. Ударная вязкость в зоне, где температура при сварке достигает 900'С, уменьшается в два раза, а в зоне, где 7=1275'С,— в 5 — 6 раз по сравнению с ударной вязкостью зон, не подвергавшихся нагреву. Для хранения жидкого водорода при Т= — 269'С изготовляют сварные сосуды из сплава 60% железа и 40% никеля. Успешно применяют для сварных сосудов, работающих при низких температурах, алюминиевые сплавы, которые свариваются дуговым и электрошлаковым способами. Нередко их изготовляют двустенчатыми. Алюминиевые сплавы обладают повышенной стойкостью против коррозии, малой плотностью и сохраняют пластические и вязкие свойства при работе в условиях низких температур.
Из листовых элементов изготовляют различные резервуары, стационарные и транспортные цистерны, вакуумные аппараты, теплообменники. На рис. 21.8 приведен пример резервуара из алюминиевого сплава, выполненного аргонодуговой сваркой. Все швы стыковые; толщина стенок цилиндрической части в=6 —: —:20 мм, сферического перекрытия в=15 мм, днища в сегментном кольце в = 15 мм и в средней части в= 6 мм.
В СССР значительное количество цистерн и резервуаров сварено автоматами под флюсом. Хорошо сваривают этим способом конструкции из сплава АМг6 и др. Соединения конструкций из алюминиевого сплава иногда обладают недостаточной сопротивляемостью образованию кристаллизационных трещин при сварке. Поэтому при проектировании следует учитывать это обстоятельство и избегать соединений очень высокой жесткости, при сварке которых образование трещин наиболее вероятно.
ф 5. Тонкостенные сосуды По назначению, толщине листовых элементов, применяемым материалам и приемам сварки сосуды, работающие под давленинием, весьма разнообразны. Общим для такого типа конструкций является требование обеспечить возможно более равномерное распределение напряжений. Этого достигают применением стыковых соединений, плавным сопряжением стыкуемых элементов и обеспечением надежного проплавления всей их толщины при условии всемерного исключения дефектов сварки. Тонкостенные сосуды обычно являются конструктивными элементами различных транспортных установок, в том числе современных летательных аппаратов. Быстрый рост размеров ракет 270 для космических полетов вызывает соответственное увеличение размеров емкостей. Это можно видеть на примере семейства ра- кет «Сатурн» с двигателями на жидком топливе (рис.
21.9). Так, цилиндрические баки со сферическими днищами, входящие в со- став стартовой ступени Я вЂ” 1С ракеты «Сатурн-5», имеют диаметр 10 м. Один из них предназначен для жидкого кислорода, дру- гой — для керосина. При работе двигателей эти емкости испытывают внутреннее давление, так как топливо и окис- вв литель вытесняются принуди„йппврн г'* „илввн э" „гапц~н в" тельно подачей в кислородный бак газообразного кислорода, а в топливный бак — гелия. Кроме того, такие емкости пев-г редко входят в состав несущей части конструкции и во время полета могут испытывать до. в-~в полнительно сжимающие и изгибающие нагрузкч. Для транспортных установок одним из в-1 з-73 основных показателей совершенства конструкции является ее минимальная масса. Поэто- а МУ ПРи Иэготовл нии тонко- Рис 21 9 Семейство ракет «Сатурн>> стенных сосудов широкое применение получили листовые материалы из алюминиевых, маг- ниевых и титановых сплавов и высокопрочных сталей, обла- дающих высокой удельной прочностью.
При изготовле- нии ракетных емкостей в зависимости от типа двигателей приме- няют либо алюминиевые сплавы (двигатели на жидком топливе), либо высокопрочные стали или титановые сплавы (двигатели на твердом топливе) . Правильное представление о предельной несущей способности тонкостенного сосуда можно получить при рассмотрении его ра- боты в пластической стадии. Особенностью является то, что при работе стенок за пределом упругой деформации и деформирова- нии металла по всем направлениям максимальные кольцевые на- пряжения цилиндрических и сферических сосудов определяются в зависимости от диаграммы растяжения металла, которая прибли- женно выражается соотношением (21.15) о=А в'"„ где о и е — истинные напряжения и деформации; А и а — коэффициенты, зависящие от механических свойств металла.
В цилиндрическом сосуде при монотонном нагружении максимальное давление достигается при кольцевой пластической деформации е1 — — п/2. При этом максимальное условное растягивающее напряжение о,,„может не соответствовать пределу прочности: 271 о!в,:о, при п(0,26 (диаграмма имеет пологий характер); о!тв~х~тт, при п)0,26 (диаграмма имеет крутой характер). Действительная конструктивная прочность сосудов в результате концентрации напряжений может оказаться ниже предельной. Большое влияние оказывает отношение и,/о,, В случае если о,/и =0,6 —:0,75, конструктивная прочность сосуда приближается к предельной.
Если о,/о,=0,9, то конструктивная прочность может оказаться значительно меньше предельной. Если в тонкостенном сосуде создается вакуум, то оболочки надо проверить на устойчивость. Цилиндрические оболочки при длине 1~'10 г, где г — радиус цилиндра, проверяются по формуле а„,=0,55Ег (з/г) з!'/1 (21.16) где о,р — критическое напряжение; з — толщина оболочки, Е— модуль упругости. Устойчивость сферической оболочки определяется формулой о> р=0 1 Ез/г.
(21.17) Допускаемое напряжение [п](а,рт, где т=0,8 — коэффициент условий работы. дорожного вагона Тонкостенные сосуды в виде различных тормозных баллонов для наземного транспорта изготовляют крупными сериями, используя хорошо свариваемые материалы относительно невысокой прочности. Примером может служить воздушный тормозной резервуар железнодорожного вагона из углеродистой стали. Он имеет отбортованные днища, приваренные к обечайке стыковым соединением. Его выполняют либо на остающемся подкладном кольце (рис. 21.10,а), либо с проточкой отбортованной части днища (рис, 21.10,б). Чем больше диаметр .0„, тем более нагруженными 272 оказываются резервуары; при расчете на прочность учитывают возможность уменьшения толщины стенок в результате коррозии на 07 — 1 мм.
Коэффициент запаса прочности п=о,/[а1, прини> мают не менее 3,5. П и изготовлении ацетиленовых баллонов (рис. 12,13,б) прири изгот в меняют сталь 15ХСНД; ее предел прочности о,=о20 МПа, пре- Г дел текучести о,=350 МПа. Допускаемое напряжение [о~р=о,/пь где коэффициент запаса и!=2,6. Допускаемое напряжение может определяться также по формуле [о1р — — о,/п~, где п~ — — 1,5. Толщина боковой стенки сосуда з = р0/ (2 [о) рту — р) + С; толщина днища сосуда , = [рЕ! / (4 Я т! Ктр — Р)10/ (26) +С, (21.19) где р=З МПа — расчетное давление; [о]р — 200 МПа — номиоп скаемое напряжение; Х)=291 мм — внутренний диа- метр днища; С=0,1 см — прибавка на коррозию с у р с четом с ока службы 10 лет и коррозии 0,1 мм в год; й=71 мм — высота вычасти днища то=.1,0 — коэффициент прочности сварного пуклой части » .
шва, свариваемого с двух сторон автоматическои свар ф =09 — поправочный коэффициент, учитывающий класс флюсом; т1=, по авлением;, и группу эксплуатации сосудов, работающих под давл К=0,95 — конструктивный коэффициент. Тогда требуемая толщина днища по формуле (21.19) з! — — [3 0,291/(4.200 0,9 0,95.1 — 3)1Х Х0,291/(2 0,071) +0,001=0,0036 м. Принимаем э=4 мм. С целью компактного размещения сосуда, например вокруг камеры сгорания, иногда применяют сосуды в форме тора. В раз- личных точках поперечного сечения торового сосуда напряжения в окружном направлении зависят от угла 0 ( . р, ) определяются формулой о! — — (а — 0,5 Ь 81п 0) рЬ/ (а+Ь з1п О) 1, (21.20) где Ь и а указаны на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
