Образец для испытания труб на прочность

 

Изобретение относится к средствам испытания материалов на прочность. Преимущественная область применения - испытание труб на длительную прочность. Сущность изобретения заключается в следующем. В образце, состоящем из отрезка трубы в виде полукольца, внутренняя часть снабжена вставкой переменной высоты. Высота указанной вставки уменьшается от вершины к ее концам, к которым прилагаются усилия, моделирующие растягивающие напряжения по всей толщине металла трубы. Причем отношение толщины трубы (Н_тр) образца к высоте вставки (Н_вст) определяют из соотношения: Н_тр/Н_вст = 0,2 -2. Техническим результатом изобретения является возможность создания растягивающих напряжений по всей толщине металла трубы, а также регулирования и создания максимальных и окружных напряжений в рабочей зоне образца при его одноосном нагружении, что создает приближение условий испытания к эксплуатационным и повышение точности испытаний металла труб. 2 ил.

Изобретение относится к области испытания материалов на прочность, а в частности к образцам для испытания труб на длительную прочность.

Известен трубчатый образец для оценки прочности труб, представляющий собой разрезное кольцо, вырезанное непосредственно из трубы, с выемкой, расположенной на внешней поверхности образца параллельно образующей трубы (см. МОНОШКОВ А. Н. , СВЕТЛАНОВ В.А., ЗЕМСКАЯ Л.В. "Лабораторный метод испытания металла и сварных соединений труб при двухосном растяжении. Производство труб с покрытиями, отделка и контроль качества труб". Металлургия, 1974 г., с. 97-103).

Недостатком данного образца является то, что напряжения по толщине образца знакопеременные, т.е. по наружной поверхности образца действуют растягивающие напряжения, а по внутренней - сжимающие. Таким образом, данный образец при нагружении двумя радиальными силами, действующими по одной оси, работает по изгибной схеме, что в корне отличается от работы реальной трубы.

Помимо указанного недостатка, также следует отметить тот факт, что при данной схеме нагружения (двумя радиальными силами, действующими по одной оси и приложенными к торцам полукольца) максимальные растягивающие напряжения на поверхности образца, как показывают экспериментальные исследования (данные тензометрических измерений), возникают не в рабочей зоне образца, где создается двухосное напряженное состояние (зона выемки на внешней поверхности образца), а между рабочей зоной и осью приложения внешней нагрузки в пределах углов от 35^o до 45^o, что является следствием того, что в данной зоне происходит не чистый изгиб, а изгиб с растяжением.

Существенным недостатком данного образца также является то, что создаваемые в рабочей зоне образца напряжения находятся в пределах пластических реформаций (условия обеспечения двухосности). В то время как большинство эксплуатационных разрушений труб наблюдается при работе металла этих конструкций в области упругих деформаций, то для достоверной оценки длительной прочности необходимы данные о поведении металла именно в упругой области работы.

Таким образом, известный образец не обеспечивает достаточной точности оценки длительной прочности металла труб из-за несоответствия реальной работы трубы, а также из-за невозможности проведения испытаний в области упругих деформаций.

Наиболее близким к заявляемому образцу является образец для испытания металла труб при двухосном напряженном состоянии, представляющий собой разрезное кольцо с выемкой, расположенной на внешней поверхности образца, выемка выполнена в виде кольцевой проточки симметрично относительно ширины образца, глубина и ширина которой выбирается из условия обеспечения соотношения напряжений в центральной части образца, соответствующего напряженному состоянию трубы (см. патент РФ N 2073842, МПК⁶ G 01 N 3/08, опубл. БИ N 5, 1997 г.).

Недостаток известного образца заключается в невозможности создания в рабочей зоне по всей толщине образца растягивающих напряжений, что снижает точность оценки длительной прочности металла трубы, так как в реальных условиях изгибная схема напряжения не соответствует работе труб нефтегазопроводов.

Существенным недостатком известного образца является также то, что для создания двухосности в центральной части образца выполнена проточка, величина которой выбирается в зависимости от требуемого состояния главных напряжений, что приводит к нарушению или изменению состояния поверхностных слоев трубы и как следствие снижается точность испытаний при определении прочности металла трубы.

Задачей данного технического решения является максимальное приближение условий испытания к эксплуатационным и повышение точности испытаний металла труб.

Технический результат заключается в создании растягивающих напряжений по всей толщине металла трубы, а также регулирования и создания максимальных окружных напряжений в рабочей зоне образца (центральная часть) при одноосном нагружении образца.

Этот технический результат достигается тем, что в известном образце, состоящем из отрезка трубы в виде полукольца, концы которой предназначены для нагружения усилиями, направленными по одной оси, внутренняя часть полукольца снабжена вставкой с переменной высотой, уменьшающейся от вершины к ее концам, причем отношение толщины трубы (H_тр) образца к высоте вставки (H_вст) составляет от 0,2 до 2,0.

При соотношении резко усиливается прикладываемое усилие, что экономически не выгодно.

А при стенка трубы работает на изгиб, а не на растяжение.

Проверка на прочность металла труб данного образца позволила приблизить условия испытаний к реальным и повысить точность результатов прогностных характеристик.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

При нагружении образца двумя радиальными силами в центральной его части рабочей зоны будут возникать максимальные изгибающий момент и предельная сила, вследствие чего образец упруго деформируется. Деформации, радиальные напряжения и напряжения по толщине образца определяются по известным формулам курса "сопротивления материалов", как для балок с радиусом кривизны. В результате того что вставка образца выполнена серповидной, очертание внутренней грани которой соответствует эпюре изгибающих моментов и обладает переменной жесткостью, достигается эффект получения однородных растягивающих напряжений по поверхности трубы в радиальном направлении. Переменная жесткость вставки дает также возможность значительно уменьшить величину радиальных усилий, приложенных к торцам образца, необходимых для создания требуемых напряжений по сравнению со вставкой, обладающей постоянной жесткостью. В целях исключения взаимного смещения проскальзывания вставки и трубы в торцах образца соединение между ними выполняется с помощью электросварки с учетом того, чтобы исключить возможность влияния остаточных сварочных напряжений в рабочей зоне. Использование вставки дает также возможность создания растягивающих напряжений по всей толщине трубы. При обеспечении совместной работы вставки и трубы вся модель работает по изгибной схеме, но так как центр тяжести и нейтральная ось сечения проходят по вставке, то в самой трубе по толщине возникают растягивающие напряжения соответственно по наружной и внутренней поверхности трубы. Отношение зависит от геометрических размеров сечения вставки, а именно от высоты вставки.

Таким образом, при нагружении образца в виде разрезного кольца со вставкой переменного сечения с внутренней поверхности образца, расположенной симметрично относительно его ширины двумя радиальными силами в его центральной части возникают растягивающие напряжения по высоте вставки, а в окружном направлении, за счет изменения высоты вставки, достигается возможность получения одинаковых растягивающих напряжений по всей наружной поверхности образца.

Экспериментально установлено, что одинаковые напряжения по наружной поверхности образца, высеченного из конкретной трубы, зависят от ширины и высоты вставки в окружном направлении. Объясняется это тем, что изгибающий момент и предельная сила меняются от 0, в месте приложения радиальной силы, до максимального значения в центральной части образца (рабочей зоне). Высота вставки дает возможность получить растягивающие напряжения по всей толщине образца за счет смещения нейтральной оси сечения. Отношение растягивающих напряжений по наружной σ₁ и внутренней поверхности образца зависит от высоты вставки. Данная зависимость получена на основе экспериментальных данных.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен заявляемый образец; на фиг. 2 - график зависимости соотношений напряжений на наружной и внутренней поверхности образца от высоты сечения вставки.

Образец представляет собой разрезное кольцо 1, вырезанное из реальной трубы с серповидной вставкой 2, расположенной с внутренней стороны. Высоту серповидной вставки выбирают в зависимости от соотношения .

Испытания металла труб на предлагаемом образце осуществляли следующим образом.

Испытанию подвергали стальную трубу радиусом R = 100 мм и толщиной стенки H= 10 мм на установленную прочность. Ширину образца выбирали из технологических соображений, т.е. присоединение в рабочей зоне проводов измерительных приборов, в этом случае ширина вставки меньше и зависит от величины прикладываемых к торцам образца радиальных усилий, создаваемых нагружаемым устройством. Высота вставки выбирается из графика 2 в зависимости от соотношения . Затем вставку с выбранными размерами жестко соединяли с исследуемым образом с помощью электросварки в торцах.

В процессе испытания к образцу прикладывали усилие P, равное 8700 (см. фиг. 1), в результате чего образец упруго деформировался и в его центральной части возникали растягивающие напряжения как по поверхности, так и по толщине. В процессе испытания осуществляли наблюдение за ростом и развитием трещины. При достижении трещиной критических размеров, определяемых требованиями линейной механики разрушения, испытание прекращали. Образец доламывали и по кинетике роста трещины судили об усталостной прочности металла трубы.

Нагружение образца можно осуществлять на любой стандартной установке, нагружающее усилие определяют по тарировочному графику для каждого конкретного образца в виде зависимости между напряжениями и нагружающим усилием.

Использование данного способа позволит по сравнению с прототипом обеспечить высокую точность и достоверность оценки усталостной прочности металла трубы.

Формула изобретения

Образец для испытания труб на прочность, состоящий из отрезка трубы в виде полукольца, концы которой предназначены для нагружения усилиями, направленными по одной оси, отличающийся тем, что с внутренней стороны полукольца выполнена вставка с переменной высотой, уменьшающейся от вершины к ее концам, причем отношение толщины трубы (Н_тр) образца к высоте вставки (Н_вст) определяют из соотношения Н_тр/Н_вст=0,2-2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2