RU2096674C1

RU2096674C1 - Reinforced tube-shell for super-high pressure

Info

Publication number: RU2096674C1
Application number: RU95118028/06A
Authority: RU
Inventors: П.В. Миодушевский; В.А. Киреев; А.Г. Борозна; В.В. Васильев; А.Ф. Разин; Л.П. Захаревич
Original assignee: Международная ассоциация "Надежность машин и конструкций"
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: flanges of reinforced tube-shell are provided with a ring seat having a hollow that receives ring projections provided with conical collars. EFFECT: enhanced reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в армированных трубах-оболочках для сверхвысокого давления, в частности в трубах-оболочках из композиционных материалов. The invention relates to mechanical engineering and can be used in reinforced pipes-shells for ultra-high pressure, in particular in pipes-shells made of composite materials.

Известна армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами [1]
К недостаткам известной трубы-оболочки следует отнести неравномерное распределение армирующего материала в пределах кольцевого выступа каждой ступени и наличие за ними утонений слоев, разрушение каркаса в зоне полюсных отверстий из-за повышенной концентрации напряжений и выдавливание фланцев.Known reinforced pipe shell for ultra-high pressure, containing a power frame made of layered composite material and flanges mounted on the pole holes of the bottoms, fastened to the frame with congruent shaped surfaces with stepwise arranged annular protrusions [1]
The disadvantages of the known pipe-shell include the uneven distribution of the reinforcing material within the annular protrusion of each stage and the presence of thinning layers behind them, the destruction of the frame in the area of the pole holes due to the increased stress concentration and extrusion of the flanges.

Известна также армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления аналогичной конструкции, в которой в местах утонений вокруг полюсных отверстий предусмотрена установка прокладок, а также изменение угла нанесения армировки [2]
Эффективность конструкции данной армированной трубы-оболочки по сравнению с вышеуказанной повышена незначительно.Also known is a reinforced pipe shell for ultrahigh pressure of a similar design, in which, in places of thinning around the pole holes, gaskets are installed, as well as a change in the angle of application of the reinforcement [2]
The design efficiency of this reinforced shell pipe compared to the above is slightly increased.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами, находящимися в зацеплении опорными кольцевыми поясками выпуклой и вогнутой кривизны [3]
В указанной трубе-оболочке слои ее силового каркаса, армированные в каждой кольцевой канавке, заканчиваются у соседнего кольцевого выступа и являются разнодлинными по сравнению со слоями в той же канавке у предыдущего кольцевого выступа, напряжения по ним перераспределяются неравномерно, возникают сдвиговые напряжения, приводящие к расслаиванию слоистого каркаса и вырыву фланцев при нагружении трубы-оболочки внутренним давлением.The closest analogue, selected as a prototype, is a reinforced pipe shell for ultrahigh pressure, containing a power frame made of a layered composite material and flanges mounted on the pole holes of the bottoms, fastened to the frame with congruent shaped surfaces with stepwise arranged annular protrusions located on them, located in them engagement by supporting annular belts of convex and concave curvature [3]
In the said sheath tube, the layers of its power frame reinforced in each annular groove end at the adjacent annular protrusion and are different in length compared to the layers in the same groove at the previous annular protrusion, the stresses are redistributed along them, shear stresses occur, leading to delamination layered frame and the tearing of the flanges when loading the pipe shell by internal pressure.

Основной задачей разработки является создание армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления такой конструкции, которая позволяла бы исключить перечисленные недостатки, не разрушалась бы при нагрузке, обладала технологичностью при изготовлении, обладала высоким качеством укладки армирующих слоев между кольцевыми выступами. The main objective of the development is the creation of a reinforced shell pipe for ultrahigh pressure of such a design that would eliminate the listed disadvantages, would not break under load, have manufacturability in manufacturing, and have high quality laying of reinforcing layers between the annular protrusions.

Техническим результатом, который может быть получен от использования армированной трубы-оболочки в предложенном исполнении, является повышение ее прочности и надежности. The technical result that can be obtained from the use of a reinforced shell pipe in the proposed design is to increase its strength and reliability.

Поставленная задача решена и технологический результат достигнут за счет изменения профиля конгруэнтных профилированных поверхностей фланцев и силового каркаса, обеспечения равнонапряженности слоев композиционного материала в пределах каждой ступени кольцевого выступа. The problem is solved and the technological result is achieved by changing the profile of the congruent profiled surfaces of the flanges and the power frame, ensuring equal tension of the layers of composite material within each stage of the annular protrusion.

Для этого в армированной трубе-оболочке для сверхвысокого давления, содержащей силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами, находящимися в зацеплении опорными кольцевыми поясками выпуклой и вогнутой кривизны, фланцы выполнены с кольцевой седловиной с расположенными в ее углублении кольцевыми выступами, снабженными одинарными коническими поясками, обратной конусностью направленными в полость трубы-оболочки, а охватывающие их слои композиционного материала силового каркаса в пределах длины образующей каждого из них выполнены равной длины. To do this, in a reinforced pipe shell for ultrahigh pressure, containing a power frame made of layered composite material and flanges mounted on the pole holes of the bottoms, fastened to the frame with congruent profiled surfaces with annular protrusions located on them, meshing with the support ring convex convex and curvature, flanges are made with an annular saddle with annular protrusions located in its recess, equipped with single conical belts and, reverse taper-directed into the cavity of the cladding tube and the covering layers of the composite power carcass material within the length of the generatrix of each of them are made of equal length.

Отличительными особенностями армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления являются следующие признаки:
выполнение фланцев трубы-оболочки с кольцевой седловиной, с расположенными в углублении кольцевой седловины кольцевыми выступами;
снабжение кольцевых выступов одинарными коническими поясками, обратной конусностью направленными в полость трубы-оболочки;
выполнение слоев композиционного материала силового каркаса, охватывающих конические пояски, в пределах длины образующей каждого из них равной длины.The distinctive features of the reinforced pipe shell for ultrahigh pressure are the following features:
the execution of the flanges of the pipe-shell with an annular saddle, with annular protrusions located in the recess of the annular saddle;
supply of annular protrusions with single conical belts, inverse taper directed into the cavity of the shell pipe;
the implementation of the layers of the composite material of the power frame, covering the conical belts, within the length of the generatrix of each of them of equal length.

Указанные отличительные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию "Новизна". These distinctive features are new, since their use in the prior art, analogues and prototype was not found, therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "Novelty."

Новые отличительные признаки предложенной трубы-оболочки, каждый в отдельности и совместно направлены на решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата. Так, например, невыполнение на фланцах кольцевой седловины не дает ощутимых преимуществ, так как не обеспечивается надежное силовое замыкание с силовым каркасом по конгруэнтным поверхностям. Невыполнение кольцевых выступов с коническими поясками обратной конусности не обеспечивает равнодлинность слоев композиционного материала и их равнонапряженное состояние, что также не обеспечивает повышенной прочности и надежности конструкции. Поэтому указанные новые отличительные признаки являются существенными. New distinctive features of the proposed pipe-shell, each separately and jointly aimed at solving the problem and achieving the specified technical result. So, for example, the non-fulfillment of the annular saddle flanges does not give tangible advantages, since reliable power closure with the power cage on congruent surfaces is not provided. Failure to perform annular protrusions with conical belts of reverse taper does not ensure the uniformity of the layers of the composite material and their equally stressed state, which also does not provide increased strength and reliability of the structure. Therefore, these new distinguishing features are significant.

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового положительного эффекта технического результата, выраженного в повышении прочности и надежности предложенной трубы-оболочки, характеризует ее в новом исполнении существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Армированная труба-оболочка на основе нового технического решения является результатом научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы, творческого вклада, создана без использования стандартных проектных решений или известных общепринятых методических указаний, по оригинальности решения превышает известный уровень техники, аналоги и прототип, характеризуется соответствием критерию "Изобретательский уровень". A single set of new essential features with common known essential features provides a solution to the problem and a new positive effect of the technical result, expressed in increasing the strength and reliability of the proposed pipe shell, characterizes it in a new version, significant differences from the prior art, analogues and prototype. The reinforced pipe-shell based on a new technical solution is the result of research and development work, creative contribution, created without the use of standard design solutions or well-known generally accepted guidelines, the originality of the solution exceeds the prior art, analogues and prototype, is characterized by the criterion "Inventive step".

На фиг. 1 представлен общий вид армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления, на фиг. 2 соединение силового каркаса из слоистого композиционного материала с фланцем, на фиг. 3 конструктивные особенности конгруэнтных поверхностей фланца и каркаса. In FIG. 1 shows a general view of a reinforced shell pipe for ultrahigh pressure; FIG. 2 the connection of the power frame of the laminated composite material with the flange, in FIG. 3 design features of congruent surfaces of the flange and frame.

Армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления содержит силовой каркас 1 из слоистого композиционного материала и фланцы 2, 3, установленные по полюсным отверстиям днищ 4, 5, скрепленные с каркасом 1 конгруэнтными профилированными поверхностями 6, 7 со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами 8 11 и 12 15, находящимися в зацеплении опорными кольцевыми поясками 16 18 и 19 21 соответственно выпуклой и вогнутой кривизны. Фланцы 2, 3 выполнены с кольцевой седловиной 22, 23 с расположенными в ее углублении кольцевыми выступами 8 10, снабженными одинарными коническими поясками 24 26, обратной конусностью направленными в полость 27 трубы-оболочки, охватывающие их слои 28 30 композиционного материала силового каркаса 1 в пределах длины образующей каждого из них выполнены равной длины. The reinforced pipe shell for ultrahigh pressure contains a power frame 1 of a layered composite material and flanges 2, 3 mounted on the pole holes of the bottoms 4, 5, fastened to the frame 1 by congruent shaped surfaces 6, 7 with ring protrusions 8 11 and stepwise arranged on them 12 15, engaged in the support ring bands 16 18 and 19 21 respectively convex and concave curvature. Flanges 2, 3 are made with an annular saddle 22, 23 with annular protrusions 8 10 located in its recess, provided with single conical belts 24 26, with the opposite taper directed into the cavity 27 of the shell pipe, covering their layers 28 30 of the composite material of the power frame 1 within the lengths of the generatrix of each of them are made of equal length.

Каркас 1 из слоистого композиционного материала представляет собой нитенамотанную структуру из спирально уложенных лент непрерывных волокон, скрепленных отвержденными полимерным связующим. В качестве армирующих волокон могут быть использованы стекловолокна, органические арамидные волокна, углеродные волокна, другие синтетические волокна и их комбинации. В качестве связующего могут быть использованы полимерные композиции на основе эпоксидных смол, эпоксифенольных, формальдегидных смол и другие. Для повышения герметичности армированной трубы-оболочки ее каркас 1 совместно с фланцами 2, 3 облицован по внутренней поверхности сплошным покрытием 31 из резиноподобного или термопластичного материала. The carcass 1 of the layered composite material is a thread-wound structure of spirally laid ribbons of continuous fibers bonded with a cured polymer binder. As the reinforcing fibers, glass fibers, organic aramid fibers, carbon fibers, other synthetic fibers, and combinations thereof can be used. As a binder, polymer compositions based on epoxy resins, epoxyphenol, formaldehyde resins and others can be used. To increase the tightness of the reinforced pipe-shell, its frame 1 together with the flanges 2, 3 is lined on the inner surface with a continuous coating 31 of a rubber-like or thermoplastic material.

Фланцы 2, 3 представляют собой осесимметричные детали, выполненные, например, из высокопрочной стали, титанового или других специальных сплавов, стойких к коррозионному воздействию среды, находящейся в трубе-оболочке. Во фланцах 2, 3 выполнены центральные каналы 32, 33 с резьбовыми участками 34, 35 для присоединения присоединительных штуцеров. Со стороны полости 27 трубы-оболочки на фланцах 2, 3 предусмотрены кольцевые канавки 36, 37 для закрепления законцовок покрытия 31. Flanges 2, 3 are axisymmetric parts made, for example, of high-strength steel, titanium or other special alloys that are resistant to the corrosive effects of the medium in the shell pipe. In the flanges 2, 3, the central channels 32, 33 are made with threaded sections 34, 35 for connecting the connecting fittings. From the side of the cavity 27 of the pipe-shell on the flanges 2, 3, annular grooves 36, 37 are provided for fixing the tips of the coating 31.

Порядок использования нового технического решения заключается в следующем. The procedure for using the new technical solution is as follows.

На удаляемую оправку (не показано) наносится герметизирующее покрытие 31 и устанавливаются фланцы 2, 3, после чего на намоточном устройстве по заданной программе производится намотка нитями силового каркаса 1, полученная заготовка отверждается по режиму полимеризации связующего с одновременной вулканизацией покрытия 31. После термообработки оправка извлекается и полученная армированная труба-оболочка готова к дальнейшим операциям, включая испытания. A sealing coating 31 is applied to the removable mandrel (not shown) and flanges 2, 3 are installed, after which, according to the specified program, the winding of the power frame 1 is made on the winding device, the obtained workpiece is cured by the binder polymerization mode with simultaneous vulcanization of the coating 31. After heat treatment, the mandrel is removed and the resulting reinforced casing pipe is ready for further operations, including testing.

Функционирование армированной трубы-оболочки состоит в следующем. По подсоединенным к фланцам 2, 3 штуцерам подается под давлением рабочая среда в виде жидкости или газа. Созданное внутреннее давление воспринимается силовым каркасом 1 и фланцами 2, 3 через нанесенное на него внутреннее герметизирующее покрытие 31. Каркас 1 трубы-оболочки воспринимает и кольцевые и осевые усилия. Благодаря выполненным кольцевым седловинам 22, 23, фланцы охватывают каркас 1 по полюсным отверстиям днищ 4, 5 и опорными кольцевыми поясками 16-18 выпуклой кривизны, выполненными на кольцевых выступах 9-11 и 12-14 в их углублении, передает нагрузку на кольцевые пояски 19-21 вогнутой кривизны на кольцевых выступах каркаса 1 и удерживаются вместе с ними с высокой прочностью и надежностью. Натурные образцы армированной трубы-оболочки для сверхвысокого давления, изготовленные с использованием нового технического решения, подвергались испытаниям на воздействие сверхвысоких давлений. Результаты испытаний положительные, разрушений армированной трубы-оболочки в местах соединения каркаса 1 с фланцами 2, 3 не происходило. The functioning of the reinforced shell pipe is as follows. The medium is supplied under pressure through a connection 2, 3 connected to the flanges in the form of a liquid or gas. The created internal pressure is perceived by the power frame 1 and the flanges 2, 3 through the internal sealing coating 31 applied to it. The frame 1 of the sheath tube receives both ring and axial forces. Due to the performed annular saddles 22, 23, the flanges cover the frame 1 along the pole holes of the bottoms 4, 5 and supporting ring belts 16-18 of convex curvature, made on the ring protrusions 9-11 and 12-14 in their recess, transfers the load to the ring belts 19 -21 concave curvature on the annular protrusions of the frame 1 and are held together with them with high strength and reliability. Full-scale samples of a reinforced pipe shell for ultrahigh pressure, manufactured using a new technical solution, were tested for exposure to ultrahigh pressures. The test results are positive, the destruction of the reinforced pipe-shell in the junction of the frame 1 with the flanges 2, 3 did not occur.

Таким образом, новое техническое решение при реализации в армированных трубах-оболочках воспроизводимо промышленным путем, его сущность, выраженная новой совокупностью признаков, соответствует и критерию "Промышленная применимость", т. е. уровню изобретения, на его создание и использование целесообразно обеспечение защиты исключительных прав патентом. Thus, the new technical solution when implemented in reinforced shell pipes is reproducible industrially, its essence, expressed by a new set of features, also meets the criterion of "Industrial applicability", that is, the level of the invention, it is advisable to protect exclusive rights to its creation and use a patent.

Claims

Reinforced pipe shell for ultra-high pressure, containing a power frame made of layered composite material and flanges mounted on the pole holes of the bottoms, fastened to the frame with congruent profiled surfaces with annular protrusions located on them, meshed with supporting annular rings of convex and concave the fact that the flanges are made with an annular saddle with annular protrusions located in its recess provided with single conic E belts, reverse taper directed into the cavity of the tube-shell, and composite layers of covering power carcass material within the length of the generatrix of each of them are made of equal length.