Оптимизация угла намотки углепластика на металлический лейнер криогенного трубопровода

6 / 11

М.А. Комков, Д.А. Потапов, А.А. Кудрявцев
6 Инженерный журнал: наука и инновации # 9·2017
Эксперименты и обсуждение результатов. Опытные цилиндри-
ческие образцы трубопроводов диаметром тр d = 50 мм и длиной 295 мм
с толщиной металлического лейнера м h = 0,3 мм, сваренного АДС
вдоль оси трубы, и углепластикового слоя толщиной к h = 0,52 мм,
намотанного под углом 67,5°, прошли испытание внутренним давле-
нием жидкости. Разрушение образцов водой при нормальной темпе-
ратуре произошло при давлении р = 13,0 МПа, а разрушение жидким
азотом ( Т ≈ –186 °С) — при р = 15,8 МПа. Лейнер разрушился вдоль
продольного шва, а углепластиковая оболочка полностью отошла от
лейнера. Испытания на термоциклирование (захолаживание — ото-
грев) показали, что образования складок и гофров на тонкостенной
металлической оболочке не происходит.
В конечном случае спроектированный криогенный трубопровод
будет заполняться жидким водородом (кислородом, метаном) и
нагружаться рабочим давлением р с учетом гидроудара. При этом
необходимо, чтобы деформации металла под рабочим давлением не
превышали его упругие деформации, т. е. м ε ≤ упр , ε а при разруша-
ющем давлении м ε ≤ т . ε Известно [10, 11], что при низких и крио-
генных температурах металлы становятся менее пластичными, но бо-
лее прочными (табл. 1), при этом модуль упругости стали увеличива-
ется незначительно.
Таблица 1
Характеристика хромоникелевой стали 12Х18Н10Т-ВД по ТУ14-1-3581-83
(листы закаленные, h = 1,5 мм)
Температура, °С
Модуль
упругости Е,
ГПа
Напряжение, МПа Деформация, %
σт σ в σ св. шва δ ψ
20 188 280 660 660 65 —
–196 — 550 1540 1470 36 —
–253 — 710 1850 — 37 —
Упругая деформация стали 12Х18Н10Т-ВД при температуре
жидкого азота (–196 °С) составит упр ε = т м/ σ Е = 550/188 = 0,293 %, а
деформация при пределе текучести т упр 0,2 ε = ε + ε = 0,493 %. В этом
случае расчетная реализуемая прочность однонаправленного
углепластика в зоне упругости металла к, упр упр к σ = ε Е = 369 МПа, а
при деформации предела текучести металла к, т т к σ = ε Е = 621 МПа,
где к Е = 126 ГПа (табл. 2).