Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов

Представлены результаты экспериментального анализа колебаний моделей предварительно напряженных трубопроводов при динамических воздействиях. Экспериментально изучено влияние намотки проволоки на статическую прочность и динамические характеристики магистральных трубопроводов. В качестве первичных пре...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Айнабеков, А.И., Сулейменов, У.С., Аврамов, К.В., Молдагалиев, А.Б., Камбаров, М.А., Серикбаев, Т.Т., Абшенов, Х.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2016
Назва видання:	Проблемы машиностроения
Теми:	Динамика и прочность машин
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99257
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов / А.И. Айнабеков, У.С.Сулейменов, К.В.Аврамов, А.Б. Молдагалиев, М.А. Камбаров, Т.Т. Серикбаев, Х.А. Абшенов // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 21-27. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-99257
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-992572016-04-26T03:02:18Z Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов Айнабеков, А.И. Сулейменов, У.С. Аврамов, К.В. Молдагалиев, А.Б. Камбаров, М.А. Серикбаев, Т.Т. Абшенов, Х.А. Динамика и прочность машин Представлены результаты экспериментального анализа колебаний моделей предварительно напряженных трубопроводов при динамических воздействиях. Экспериментально изучено влияние намотки проволоки на статическую прочность и динамические характеристики магистральных трубопроводов. В качестве первичных преобразователей при измерений деформаций применяются одноэлементные тензорезисторы. Вторичной измерительной аппаратурой служил светолучевой осциллограф в комплекте с универсальным тензоусилителем и блоком питания. Измерение динамических перемещений осуществлялось тензорезисторным кольцевым преобразователем перемещений. Для возбуждения колебаний в конструкции использовался виброэлектродинамический стенд. Экспериментально исследовались параметры свободных колебаний конструкций, к которым относятся собственные частоты и декременты колебаний. Анализировалось влияние на эти параметры предварительного напряжения в трубопроводах и эксплуатационных характеристик конструкции. Экспериментально обосновано, что наматывание проволоки на трубопровод может использоваться как способ сейсмической защиты конструкции. Тогда возможно управлять динамическими характеристиками конструкций подбором параметров обмотки трубы. Большинство явлений, описанных в статье, невозможно исследовать расчетными методами. Наведено дані експериментального аналізу коливань моделей попередньо напружених трубопроводів при динамічних навантаженнях. Експериментально досліджено вплив намотки проволоки на статичну міцність та динамічні характеристики магістральних трубопроводів. Експериментально обґрунтовано, що намотування проволоки на трубопровід може використовуватися як засіб сейсмічного захисту конструкцій. The data of experimental analysis of prestressed pipelines vibrations under the action of dynamic loads are presented. Resistance strain gages are used as a sensing device for strains measure. Direct – writing oscillograph and amplifier are used for secondary gaging equipment. The measurements of dynamic displacements are carried out by ring transducer. Shaker is used to excite the structure vibrations. The parameters of the structure free vibrations (eigenfrequencies and damping decrement) are investigated experimentally. The influence of the prestress in pipelines on this parameters is analyzed. The influence of the wire winding on strength and dynamics of pipelines is investigated experimentally. It is shown that the wire winding on the pipeline can be used to protect the structure on seismic excitation. It is possible to drive the dynamic properties of the structure by selection of the pipeline taping parameters. The majority phenomena, which are discussed in this paper, can not be obtained by numerical computations. 2016 Article Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов / А.И. Айнабеков, У.С.Сулейменов, К.В.Аврамов, А.Б. Молдагалиев, М.А. Камбаров, Т.Т. Серикбаев, Х.А. Абшенов // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 21-27. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0131-2928 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99257 621.7.023 ru Проблемы машиностроения Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Динамика и прочность машин Динамика и прочность машин
spellingShingle	Динамика и прочность машин Динамика и прочность машин Айнабеков, А.И. Сулейменов, У.С. Аврамов, К.В. Молдагалиев, А.Б. Камбаров, М.А. Серикбаев, Т.Т. Абшенов, Х.А. Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов Проблемы машиностроения
description	Представлены результаты экспериментального анализа колебаний моделей предварительно напряженных трубопроводов при динамических воздействиях. Экспериментально изучено влияние намотки проволоки на статическую прочность и динамические характеристики магистральных трубопроводов. В качестве первичных преобразователей при измерений деформаций применяются одноэлементные тензорезисторы. Вторичной измерительной аппаратурой служил светолучевой осциллограф в комплекте с универсальным тензоусилителем и блоком питания. Измерение динамических перемещений осуществлялось тензорезисторным кольцевым преобразователем перемещений. Для возбуждения колебаний в конструкции использовался виброэлектродинамический стенд. Экспериментально исследовались параметры свободных колебаний конструкций, к которым относятся собственные частоты и декременты колебаний. Анализировалось влияние на эти параметры предварительного напряжения в трубопроводах и эксплуатационных характеристик конструкции. Экспериментально обосновано, что наматывание проволоки на трубопровод может использоваться как способ сейсмической защиты конструкции. Тогда возможно управлять динамическими характеристиками конструкций подбором параметров обмотки трубы. Большинство явлений, описанных в статье, невозможно исследовать расчетными методами.
format	Article
author	Айнабеков, А.И. Сулейменов, У.С. Аврамов, К.В. Молдагалиев, А.Б. Камбаров, М.А. Серикбаев, Т.Т. Абшенов, Х.А.
author_facet	Айнабеков, А.И. Сулейменов, У.С. Аврамов, К.В. Молдагалиев, А.Б. Камбаров, М.А. Серикбаев, Т.Т. Абшенов, Х.А.
author_sort	Айнабеков, А.И.
title	Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов
title_short	Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов
title_full	Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов
title_fullStr	Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов
title_full_unstemmed	Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов
title_sort	экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Динамика и прочность машин
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99257
citation_txt	Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов / А.И. Айнабеков, У.С.Сулейменов, К.В.Аврамов, А.Б. Молдагалиев, М.А. Камбаров, Т.Т. Серикбаев, Х.А. Абшенов // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 21-27. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Проблемы машиностроения
work_keys_str_mv	AT ajnabekovai éksperimentalʹnyjanalizkolebanijpredvaritelʹnonaprâžennyhmagistralʹnyhtruboprovodov AT sulejmenovus éksperimentalʹnyjanalizkolebanijpredvaritelʹnonaprâžennyhmagistralʹnyhtruboprovodov AT avramovkv éksperimentalʹnyjanalizkolebanijpredvaritelʹnonaprâžennyhmagistralʹnyhtruboprovodov AT moldagalievab éksperimentalʹnyjanalizkolebanijpredvaritelʹnonaprâžennyhmagistralʹnyhtruboprovodov AT kambarovma éksperimentalʹnyjanalizkolebanijpredvaritelʹnonaprâžennyhmagistralʹnyhtruboprovodov AT serikbaevtt éksperimentalʹnyjanalizkolebanijpredvaritelʹnonaprâžennyhmagistralʹnyhtruboprovodov AT abšenovha éksperimentalʹnyjanalizkolebanijpredvaritelʹnonaprâžennyhmagistralʹnyhtruboprovodov
first_indexed	2025-07-07T07:43:10Z
last_indexed	2025-07-07T07:43:10Z
_version_	1836973233869422592
fulltext	ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 21 1 А. И. Айнабеков, д-р техн. наук 1 У. С. Сулейменов, д-р техн. наук 2 К. В. Аврамов, д-р техн. наук 1 А. Б. Молдагалиев, канд. техн. наук 1 М. А. Камбаров, канд. техн. наук 1 Т. Т. Серикбаев, канд. техн. наук 1 Х. А. Абшенов, канд. техн. наук 1 Южно- Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова, г. Шимкент, e-mail: dinamika-nauka@rambler.ru 2 Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, e-mail: kvavr@kharkov.ua УДК 621.7.023 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОЛЕБАНИЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Наведено дані експериментального аналізу коливань моделей попередньо напружених трубопроводів при динамічних навантаженнях. Експериментально дос- ліджено вплив намотки проволоки на статичну міц- ність та динамічні характеристики магістральних трубопроводів. Експериментально обґрунтовано, що намотування проволоки на трубопровід може використовуватися як засіб сейсмічного захисту конструкцій. Ключові слова: попередньо напружений трубопровід, експериментальний аналіз коливань, вільні затухаючі коливання, вимушені коливання. Введение Поскольку проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводов сопряжены с боль- шими финансовыми затратами, опасностью загрязнения окружающей среды, развитие сети трубо- проводов должно основываться на научных и экономически оправданных решениях. Современное состояние проектирования и строительства магистральных трубопроводов для нефти и газа характе- ризуется увеличением диаметра труб, рабочих давлений при транспортировке. Одним из эффектив- ных методов совершенствования конструкции магистральных трубопроводов считается создание предварительных напряжений, что достигается навивкой высокопрочной проволоки, стекловолокна или ленты на корпус труб перпендикулярно или под углом к образующей трубопровода [1, 2]. Тогда в стенках трубопровода создаются усилия, обратные по знаку с рабочими. В этом случае наблюдается перераспределение напряжений, что можно учесть при проектировании снижением толщины стенки и создании более прочной конструкции за счет выравнивания окружных и продольных напряжений [3, 4]. Способ создания предварительных напряжений широко применяется в сосудах и аппаратах высокого давления [5–7]. Однако анализ литературы свидетельствует, что применение предваритель- ного напряжения в магистральных трубопроводах практически не изучено. Не исследованы свойства напряженно-деформированного состояния (НДС) таких конструкций под действием статических и динамических воздействий. Не изучены вопросы оптимального проектирования предварительно напряженных трубопроводов [8–10]. Существующие нормы расчета на прочность магистральных трубопроводов не регламентируют проектные расчеты предварительно напряженного трубопровода при статических и динамических нагрузках [11, 12]. Особо следует подчеркнуть, что не существует надежных методов расчета колебаний трубо- проводов, усиленных намотанной на них проволокой. При наматывании проволоки существенно уве- личивается коэффициент линейного демпфирования конструкции. Это увеличение практически не поддается надежным расчетам. Наматывание проволоки ужесточает конструкцию, что влияет на соб- ственные частоты колебаний и на вид амплитудно-частотной характеристики. Подчеркнем, что на сегодняшний день не существует надежных методов расчета таких колебаний. Поэтому целью дан- ной статьи является экспериментальный анализ свойств колебаний трубопровода с навитой проволо- кой. Обсуждаются результаты экспериментального анализа статики и динамики предварительно напряженных трубопроводов путем исследования уменьшенных моделей с учетом эксплуатационных  А. И. Айнабеков, У. С. Сулейменов, К. В. Аврамов, А. Б. Молдагалиев, М. А. Камбаров, Т. Т. Серикбаев, Х. А. Абшенов, 2016 ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 22 условий и различных пара- метров предварительного напряжения. В статье пока- зано, что наматывание про- волоки является способом сейсмической защиты тру- бопроводов. 1. Метод исследования Экспериментальные исследования проводились на моделях наземных трубо- проводов, выполненных из малоуглеродистой стали. Геометрические размеры трубопровода выбирались на основе подобия между моде- лью и натурной конструкцией. Согласно этой теории между параметрами модели и натурной кон- струкции устанавливается постоянный масштаб. Масштаб моделирования принят 1:5 к натурным конструкциям трубопроводов диаметром 1220 мм. Общий вид модели представлен на рис. 1. Для экспериментального анализа были изготовлены три модели трубопровода: А, Б. В. Мо- дель А является базовой; в ней не создаются предварительные напряжения. В моделях Б и В для со- здания предварительных напряжений навивается проволока. В модели Б проволока навивается с ша- гом а, равным диаметру (a = d), а в модели В проволока навивается с шагом, равным трем диаметрам проволоки (a = 3d). Модель представляет собой фрагмент прямолинейной части трубопровода длиной 3980 мм, состоящий из трех равных пролетов длиной 1260 мм и диаметром 245 мм. Фрагмент трубопровода уложен на опоры высотой 600 мм. Трубопровод с одной стороны жестко защемлен, а с другой – удерживается продольно-подвижной опорой. Эскиз модели трубопровода представлен на рис. 2. Все размеры показаны в мм. В средней части трубопровода установлены две свободно подвешенные опо- ры. Корпуса моделей изготовлены из стальных листов марки Ст8, а проволока обмотки из стали Ст15. Навивка обмотки на корпус модели производилась на специально сконструированной намоточ- ной машине, которая позволяет натягивать проволоку с контролируемым усилием и одинаковым ша- гом по длине модели. В качестве первичных преобразователей при измерений деформаций применяются одноэле- ментные тензорезисторы. Вторичной измерительной аппаратурой служил светолучевой осциллограф в комплекте с универсальным тензоусилителем и блоком питания. Измерение динамических переме- щений осуществлялось тензорезисторным кольцевым преобразователем перемещений. Для возбуж- дения колебаний в конструкции использовался виброэлектродинамический стенд. При проведении испытаний моделировались следующие нагрузки: а) нагрузка от веса транс- портируемого продукта, которая имитировалась различным заполнением трубы водой (пустой, ча- стично заполненный и полностью заполненный); б) нагрузка от внутреннего избыточного давления, Рис. 1. Общая схема модели трубопровода Рис. 2. Эскиз трубопровода ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 23 которая создавалась нагнетанием в трубу воздуха компрессором; в) влияние предварительного напряжения, которое имитировалось навиванием высокопрочной проволокой на корпус модели с усилием натяжения 0,75Scr и шагом a = d и a = 3d, где Scr – критическое усилие потери устойчивости стенки оболочки. Проводились испытания без избыточного давления и с избыточным давлением, равным 1,0 МПа. Исследовались свободные затухающие колебания конструкции. Из осциллограммы свобод- ных колебаний определялась частота, период колебаний и логарифмический декремент. Для исследо- вания вынужденных колебаний конструкции возмущающая сила прикладывалась в середине пролета, как показано на рис. 2, и с правого конца конструкции. Подчеркнем, что вибратор устанавливался так, чтобы возбуждать как горизонтальные, так и вертикальные колебания конструкции. Для анализа резонансных колебаний исследовалась амплитудно-частотная характеристика, частота возмущающей силы изменялась квазистатически. 2. Результаты экспериментального анализа 2.1. Статический анализ предварительных напряжений Экспериментально исследовалось напряженно-деформируемое состояние трубопровода под действием статического внутреннего давления. Предварительное напряженное состояние достигалось навивкой высокопрочной проволоки на корпус модели. В результате экспериментального анализа установлено, что вследствие навивки проволоки окружные напряжения уменьшились в 1,2–3,6 раза, а меридиональные – увеличились в 2–2,2 раза. Вместе с тем деформации стенки предварительно напряженного трубопровода за счет стесненности корпуса обмоткой уменьшились в 1,2–4,2 раза в зависимости от условий эксплуатации и параметров предварительного напряжения. Установлено, что наибольший эффект от использования предварительного напряжения достигается при сравнительно высоких уровнях внутреннего избыточного давления, при котором совместность работы стенки тру- бопровода и напрягаемой обмотки способствует некоторому сглаживанию линии деформации и напряжений стенки трубопровода. Из приведенных экспериментальных результатов следует, что стеснение корпуса обмоткой существенно снижает уровень эквивалентных напряжений, наблюдающихся в цилиндрической обо- лочке. Это связано с тем, что вклад окружных напряжений, величина которых значительно уменьша- ется, в эквивалентные напряжения значительно выше, нежели вклад меридианных напряжений, вели- чина которых при стеснении корпуса увеличивается. Форма изгиба стенки конструкции в продольном направлении близка к форме изгиба трех- пролетной стержневой системы постоянного сечения. 2.2. Анализ свободных колебаний Экспериментально исследовались параметры свободных колебаний конструкций, к которым относятся собственные частоты и декременты колебаний. Анализировалось влияние на эти парамет- ры предварительного напряжения в трубопроводах и эксплуатационных характеристик конструкции. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице. В первом столбце таб- лицы показан тип рассматриваемой конструкции; в третьем – усилия натяжения, которыми создаются предварительные напряжения в конструкции; в четвертом – уровень заполнения жидкостью внутри трубопровода; в пятом – величина избыточного внутреннего давления в трубопроводе; в шестом – представлены собственные частоты колебаний конструкции. В числителе показаны собственные час- тоты горизонтальных колебаний, а в знаменателе – собственные частоты вертикальных колебаний. В седьмом столбце представлены декременты колебаний. При горизонтальных колебаниях движения конструкции происходили параллельно основа- нию, а при вертикальных – перпендикулярно. Схема возбуждения горизонтальных и вертикальных колебаний представлена на рис. 2. Экспериментально исследовались три варианта наполнения трубо- провода жидкостью. Первый случай соответствует трубопроводу без жидкости. Во втором и третьем случае трубопровод заполнен жидкостью наполовину и полностью. Динамика конструкции исследо- валась с нулевым внутренним давлением и с внутренним давлением, равным 1 МПа. Анализ осциллограмм затухающих свободных колебаний модели предварительно напряжен- ного трубопровода свидетельствует о качественном влиянии проволочной обмотки на механизм по- ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 24 глощения энергии колебаний, что подтверждается монотонностью убывания кривой огибающей ам- плитуд затухающих колебаний. Подчеркнем, что такая огибающая имеет вид экспоненты. Этот вывод можно сделать из величин декрементов затухания, представленных в таблице. В конструкции без об- мотки декременты затухания маленькие. Наибольшие декременты затухания в модели Б, где наибо- лее густая обмотка. Как следует из таблицы, обмотка трубопровода увеличивает логарифмический декремент в 1,2–2,2 раза. Обмотка трубы играет роль оребрения, то есть нити обмотки работают совместно со стенкой. Поэтому жесткость конструкции повышается и увеличиваются собственные частоты в 1,4–1,6 раза. Характер изменения частот и декрементов колебаний моделей предварительно напряженного трубопровода в зависимости от силы натяжения нити обмотки показал (см. таблицу), что изменение усилия предварительного натяжения от 0,25Scr до 0,75Scr приводит к увеличению частоты основного тона колебаний моделей в среднем в 1,5–1,6 раза, а логарифмического декремента колебаний в 1,2– 1,25 раза. Это объясняется тем, что с увеличением уровня предварительного напряжения эффект включения нитей обмотки в совместную работу со стенкой увеличивается. Частоты и декременты свободных колебаний конструкций трубопроводов Тип модели Шаг навивки обмотки Усилие натяжения Уровень налива Внутреннее давление, МПа Частота свобод- ных колебаний, Гц Декремент колебаний Модель А – – 0 0 12,9/12,8 0,132/0,190 1,0 12,8/10,2 0,122/0,115 0,5 0 12,1/9,6 0,117/0,115 1,0 10,2/8,2 0,108/0,07 1,0 0 11,0/8,2 0,112/0,102 1,0 9,2/7,5 0,104/0,062 Модель Б d S = 0,75Scr 0 0 21,8/23,2 0,196/0,230 1,0 17,6/12,8 0,186/0,171 0,5 0 15,2/16,8 0,169/0,171 1,0 13,4/10,8 0,136/0,115 1,0 0 13,8/15,2 0,162/0,167 1,0 12,3/10,4 0,126/0,091 Модель В 3d S = 0,75Scr 0 0 18,6/16,8 0,173/0,220 1,0 15,4/11,6 0,168/0,152 0,5 0 13,2/14,0 0,158/0,152 1,0 11,8/10,1 0,122/0,10 1,0 0 12,4/13,2 0,153/0,148 1,0 10,8/9,6 0,112/0,102 2.3. Анализ вынужденных колебаний Исследовались вынужденные горизонтальные и вертикальные периодические установившие- ся колебания. Для исследования горизонтальных колебаний к конструкции сбоку крепился рабочий орган вибратора (рис. 2). В результате возбуждались колебания, параллельные основанию конструк- ции. Для возбуждения вертикальных колебаний вибратор устанавливался под конструкцией (рис. 2). Тогда возбуждались колебания в плоскости опор. При горизонтальных колебаниях конструкции экс- периментально определялась амплитудно-частотная характеристика моделей с учетом различных эксплуатационных условий и параметров предварительного напряжения. Подчеркнем, что исследо- вались свойства установившихся периодических колебаний трубопроводов с обмоткой. Результаты анализа амплитудно-частотной характеристики представлены на рис. 3 в области первых двух резо- нансов. Анализ амплитудно-частотных зависимостей показал существенное влияние навитой прово- локи на амплитуду и резонансные частоты вынужденных горизонтальных колебаний трубопровода. В присутствии обмотки пики амплитудно-частотных характеристик становятся менее выраженными, что свидетельствует о существенном увеличении демпфирования в системе. По-видимому, при коле- ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 25 баниях конструкции наблюдается трение между трубой и проволокой, навитой на трубу. Это трение существенно увеличивает коэффициент линейного демпфирования конструкции. Поэтому амплитуды резонансных колебаний в конструкции с навитой проволокой меньше, чем амплитуды колебаний трубы без проволоки. Наблюдается увеличение значений частот вынужденных колебаний как по первой, так и по второй формам резонансных колебаний в среднем в 1,2–1,5 раза при горизонтальных колебаниях и в 1,2–1,6 раза при вертикальных в зависимости от эксплуатационных условий и шага навиваемой про- волоки. При этом наибольшие значения увеличения частот соответствуют модели предварительно напряженного трубопровода с шагом навивки обмотки, равным d. Частоты вынужденных резонанс- ных колебаний увеличились в 1,2–1,8 раза, а амплитуды колебаний уменьшились в 1,3–2,2 раза в за- висимости от уровня налива, наличия или отсутствия внутреннего избыточного давления и парамет- ров предварительного напряжения, по сравнению с данными испытании трубопроводов без обмотки. Как обсуждалось выше, при обматывании проволокой трубы наблюдается повышение жесткости конструкции, что приводит к увеличению резонансных частот колебаний. Амплитуда колебаний модели предварительно напряженного трубопровода уменьшилась в среднем на 1,2–1,8 раза при горизонтальных колебаниях и в 1,1–1,8 раза при вертикальных колебани- ях как по первой, так и по второй формам резонансных колебаний, в зависимости от заполнения тру- бопровода жидкостью, внутреннего избыточного давления в трубопроводе и шага навивки проволо- ки. Установлено, что характер колебаний моделей предварительно напряженного трубопровода соот- ветствует форме колебаний балки постоянного сечения, защемленной по концам. Испытания модели предварительно напряженного трубопровода под внутренним давлением показали, что графики амплитудно-частотных характеристик модели имеют более плавный характер по сравнению с вариантом отсутствия внутреннего давления. Так как амплитуды резонансных колебаний уменьшаются при наматывании проволоки на конструкцию, то этот способ можно использовать для сейсмической защиты трубопроводов. 3. Обсуждение приложений результатов Сравнение данных статических испытаний предварительно напряженных трубопроводов с различным шагом навивки проволоки показывает отсутствие качественных отличий в характере рас- пределения деформации стенки и напряжении в кольцевом сечении. Однако в модели предваритель- но напряженного трубопровода с шагом навивки обмотки, равным 3d, наблюдается увеличение напряжений и деформации стенки трубопровода по сравнению с данными испытаний трубопровода с шагом навивки, равным d. Из экспериментального анализа вынужденных колебаний моделей трубопроводов с навитой проволокой следует ряд преимуществ таких конструкций в сравнении с трубопроводами без навивки. Во-первых, наблюдается уменьшение динамической нагруженности трубопровода с навитой прово- локой по сравнению с конструкцией без проволоки. Первая собственная частота напряженного тру- бопровода до 1,8 раза выше этого же параметра обычного трубопровода. Амплитуда резонансных колебаний напряженных трубопроводов уменьшается до 2 раз, а значение логарифмического декре- мента колебаний повышается в среднем в 2,2 раза. Во-вторых, предварительно напряженные трубо- проводы могут эффективно использоваться в сейсмических районах. Известно, что если частота соб- ственных колебаний по своим значениям совпадает с частотами сейсмического воздействия, то кон- струкция попадает в зону резонансных колебаний с большими амплитудами. Такие колебания часто приводят к разрушениям конструкции и, как следствие, к экологическим катастрофам. С помощью предварительного натяжения проволоки можно отстроить трубопровод от резонансных режимов колебаний. Так, регулируя параметрами навивки проволоки, можно отстроить собственную частоту трубопровода от доминантных частот колебаний грунта. В таком случае навивку проволоки на тру- бопровод можно рассматривать как сейсмическую защиту конструкции, с одной стороны, и как спо- соб управления динамическими характеристиками – с другой. ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 26 A,mm f ,Гц А м п л и ту д а к о л еб ан и й    , м Частота колебаний, Гц a=0 A,mm f, Гц А м п л и ту д а к о л еб ан и й    , м Частота колебаний, Гц A,mm f ,Гц А м п л и ту д а к о л еб ан и й    , м Частота колебаний, Гц 0,5 H 0,5 H 1,0 H 1,0 H при Р=0 МПа при Р=0,5 МПа a=3d Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики колебаний моделей ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 27 Заключение Результаты экспериментальных исследований колебаний моделей трубопроводов показали, что с помощью создания предварительных напряжений высокопрочной обмоткой можно значительно уменьшить динамическую нагруженность. В статье показано, что данный способ может быть исполь- зован для сейсмической защиты конструкции, так как можно управлять динамическими характери- стиками трубопровода выбором параметров навивки проволоки (шаг навивки и усилие натяжения нити). Перспективным направлением исследований является использование наматывания проволоки для сейсмической защиты листовых конструкций, таких, как резервуары, газгольдеры и т.д. Исследования выполнены по договору на научно-исследовательские работы в рамках госу- дарственного заказа Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан. Литература 1. Беленя, Е. И. Предварительно-напряженные несущие металлические конструкции / Е. И. Беленя. – М.: Стройиздат, 1975. – 416 с. 2. Беленя, Е. И. Предварительно-напряженные металлические листовые конструкции / Е. И. Беленя, С. М. Астряб, Э. Б. Рамазанов. – М.: Стройиздат, 1979. – 192 с. 3. Сулейменов, У. С. Перспективы применения предварительного напряжения в металлических конструкциях нефтеперерабатывающей промышленности / У. С. Сулейменов, А. Б. Молдагалиев, Н. Ж. Жанабай, М. К. Укибаев // Наука и образование Южного Казахстана. – 2005. – № 3. – С. 51–53. 4. Айнабеков, А. И. Работа надземных предварительно напряженных трубопроводов при эксплуатационных нагрузках / А. И. Айнабеков, Б. Р. Арапов, У. С. Сулейменов // Наука и образование Южного Казахстана. – 2003. – № 35. – С. 12–14. 5. Воеводин, А. А. Предварительно напряженные системы элементов конструкций / А. А. Воеводин. – М.: Стройиздат, 1989. – 298 с. 6. Остсемин, А. А. Прочность бандажироанного нефтепровода при наклонной обмотке / А. А. Остсемин, В. Ю. Заварухин // Пробл. прочности. – 1990. – № 11. – C. 100–105. 7. Пуховский, А. Б. К вопросу повышения сейсмостойкости металлических конструкций предварительным напряжением / А. Б. Пуховский // Стр-во и архитектура. – 1984. – № 4. – С. 10–13. 8. Андреев, Л. В. Влияние предварительного напряжения на величину предельного давления цилиндрической оболочки / Л. В. Андреев, А. П. Решетилова, В. И. Рузин // Пробл. прочности. – 1986. – № 1. – С. 86–91. 9. Заварухин, В. Ю. К расчету предельного состояния бандажированных труб / В. Ю. Заварухин, А. А. Остсемин // Пробл. прочности. – 1990. – № 1. – С. 76–81. 10. Смирнов, А. И. Об эффективности бандажирования труб и цилиндрических сосудов / А. И. Смирнов // Пробл. прочности. – 1983. – № 12. – С. 77–79. 11. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования. – М., 1985. – 52 с. 12. СНиП 2.04.12-86. Расчет на прочность стальных трубопроводов. – М., ГУП ЦПП, 2001. – 12 с. Поступила в редакцию 21.12.15

Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов

Репозитарії

Схожі ресурси