Оптимизация угла намотки углепластика на металлический лейнер криогенного трубопровода

4 / 11

М.А. Комков, Д.А. Потапов, А.А. Кудрявцев
4 Инженерный журнал: наука и инновации # 9·2017
где ( , ) α βT — экспериментальные зависимости КЛТР материалов;
∆l — изменение длины (диаметра ∆d ) металлического лейнера или
слоя углепластика в зависимости от температуры и углов намотки ± β .
В результате интегрирования графических зависимостей (рис. 4,
[12]) получено изменение относительных деформаций (рис. 5) при
захолаживании трубопровода от температуры 295 до 20 K и диапа-
зоне углов намотки углепластика β = 0…90°.
Если лейнер не склеен (разделен) с углепластиковой оболочкой,
то при больших углах намотки β x и, следовательно, малых углах
βy = 90° – β (радиальное направление) между ними образуется зазор
(см. рис. 2), а при углах намотки больше β ≤ 45° тонкостенный лей-
нер будет сжат более толстой углепластиковой оболочкой в радиаль-
ном направлении и может потерять устойчивость в окружном
направлении. Таким же образом изменяется и их длина. Однако в
осевом направлении композитная оболочка и лейнер жестко скреп-
лены (соединены) между собой на хвостовиках фланцев трубопрово-
да. Следовательно, в зависимости от углов армирования углепласти-
ковой оболочки лейнер при захолаживании может испытывать как
сильное растяжение, так и сильное сжатие. Например, при углах
намотки β = 30° тонкостенный лейнер будет сильно растянут
(см. рис. 5), а когда углы намотки β ≥ 90°, то сильно сжат и потеряет
осевую устойчивость с образованием кольцевых складок.
В то же время из данных на рис. 6 следует, что при углах намотки
β = ±67,5° осевые линейные деформации лейнера и углепластико-
вой оболочкой равны друг другу. Принимая угол намотки равным
β = ±67,5°, уравниваем тем самым осевые температурные деформа-
ции разнородных слоев и исключаем осевую потерю устойчивости
лейнера с образованием кольцевых складок при циклическом захо-
лаживании трубопровода и нагружении его внутренним давлением.
Однако радиальные деформации слоев при угле намотки углепластика
βy = 22,5° (радиальное направление) значительно отличаются друг от
друга. Так, диаметр лейнера 1м ∆d уменьшается на –0,296 %, а диа-
метр углепластиковой оболочки 1к ∆d увеличивается на +0,05 %. При
этом образуется суммарный зазор между слоями, определяемый как
∆d = 2∆R = 1к ∆d – 1м ∆d = , εd d
где d — диаметр лейнера; ε d = [0,05 % – (–0,296 %)] = 0,346 % —
суммарная деформация по диаметру. При этом деформация по радиу-
су составит рад ε = 0,173 %.