Способ испытания оболочек и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области испытаний оболочечных конструкций (труб, сосудов, резервуаров и т.п.), преимущественно поврежденных, на механическую прочность при статическом и циклическом нагружении. Преимущества: моделирование реальных процессов нагружения и получение возможности безопасного наблюдения за процессом возникновения и развития разрушения. Способ испытания оболочек предусматривает циклическое нагружение испытуемой конструкции внутренним давлением, причем режимы нагружения выбираются из реальных условий эксплуатации. Устройство для испытаний содержит нагрузочное приспособление в виде камеры из эластичного материала, имеющей торовое сечение и соединенной с источником давления, размещенное внутри испытуемой оболочки и снабженное системой циклического изменения нагрузки. 2 c.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области испытаний оболочечных конструкций (труб, сосудов, резервуаров и т.п.), преимущественно поврежденных на механическую прочность при статическом и циклическом нагружении и может быть использовано на предприятиях-изготовителях названных конструкций (при проведении заводских испытаний продукции), на предприятиях, эксплуатирующих названные конструкции (при проведении переиспытаний после ремонта или выработки ресурса), а также для исследовательских целей при изучении закономерностей развития процессов разрушения.
Известен способ испытания оболочечных конструкций, в частности металлических труб, на прочность и герметичность, предусматривающий гидростатическое нагружение их внутренним давлением, выдержку под нагрузкой в течение определенного времени и последующее ее снятие, причем величина пробного давления и время выдержки определяются в зависимости от диаметра и толщины стенки трубы [1]. Труба считается соответствующей требованиям нормативно-технической документации, если при испытаниях не будет визуально обнаружено течи рабочей жидкости и после испытаний остаточной деформации (выпучивания) стенки, выводящей диаметр трубы за предельные отклонения. Этот способ широко применяется для контроля качества продукции на трубных заводах, где испытательное давление принято в 90-95% от нормативного предела текучести, время выдержки под нагрузкой 20-30 с [2]. Гидравлическим способом испытывают также технологические и магистральные трубопроводы, создавая в них статическое нагружение, обеспечивающее нормативный уровень давления среды, равный 1,1 или 1,25 от рабочего давления (в зависимости от категории участка) и выдерживая их под давлением в течение 24 ч [2].
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является то, что он не обеспечивает соответствия условий испытания характеру и величине реальных нагрузок в процессе транспорта газа, конденсата, фракций углеводородов и т.д., а, следовательно, вносит определенную ошибку при оценке несущей способности оболочек. Как известно, подавляющее большинство оболочечных конструкций работает в условиях циклического нагружения, что является одной из основных причин их разрушения. Кроме того, газогидродинамические нагрузки, приводящие к разрушению поврежденных (вмятины, гофры, задиры и т.п.) труб магистральных газопродуктопроводов, в принципе невозможно смоделировать при гидростатическом нагружении. Известный способ малопригоден также для исследовательских целей при изучении закономерностей развития процессов разрушения, так как не обеспечивает безопасности работ и удобства наблюдений вследствие возникновения течи жидкости под давлением из трещины, как только она распространяется на всю толщину стенки.
Известен пневматический способ испытания внутренним давлением магистральных газопроводов, предусматривающий заполнение его воздухом до давления 1,1 или 1,25 от рабочего, выдержку в течение 24 ч и последующее снятие нагрузки. В специальных пневмогидравлических трубопроводных системах используют циклический режим нагружения, как наиболее полно имитирующий эксплуатационные условия работы трубопроводов [2].
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является опасность лавинного разрушения трубопровода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является пневматический способ испытаний механической прочности цилиндрических оболочек, нагруженных внешним давлением, в котором равномерное распределение нагрузки по всей внешней поверхности испытуемой конструкции достигается тем, что нагружение осуществляют с помощью камеры из эластичного материала, имеющей торовое сечение, заполняемой газом, при этом обеспечивается также и безопасность работ [3].
Известная установка для испытаний механической прочности цилиндрических образцов, нагруженных внешним давлением, выбранная в качестве прототипа, включает обечайку с днищами и нагрузочное приспособление в виде камеры, из эластичного материала, имеющей торовое сечение, размещенной в пространстве между обечайкой, днищами и испытуемой оболочкой и наполняемой газом через штуцер [3].
Причина, препятствующая достижению требуемого технического результата известным способом и устройством, заключается в том, что характер создаваемых нагрузок не соответствует характеру нагружения большинства оболочечных конструкций в реальных условиях их работы, предусматривающих циклическое нагружение внутренним давлением. Кроме того, в известном способе сложно осуществлять наблюдение за развитием разрушения.
Задачей, на решение которой направлена группа изобретений - способ и устройство для его осуществления, является создание условий испытаний, приближающихся к реальным процессам газогидродинамического нагружения.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в осуществлении возможности безопасного наблюдения за критическим развитием процесса разрушения поврежденных оболочек и повышение точности оценки их несущей способности.
Указанный технический результат по объекту-способу достигается тем, что в способе испытания оболочек, предусматривающем приложение статической нагрузки, равномерно распределенной по поверхности испытуемой оболочки, с помощью камеры из эластичного материала, соединенной с источником давления, выдержку под нагрузкой и последующее ее снятие, указанную камеру помещают внутрь испытуемой оболочки и наполняют рабочим веществом до получения требуемой величины статической нагрузки, после чего осуществляют циклическое изменение величины нагрузки, причем диапазон, частоту и число циклов изменения, а также тип рабочего вещества (газ, жидкость или их смесь) определяют, исходя из реальных условий эксплуатации испытуемой оболочки.
Указанный технический результат по объекту-устройству достигается тем, что в устройстве для испытаний оболочек, преимущественно поврежденных внутренним давлением, содержащем нагрузочное приспособление в виде камеры из эластичного материала, имеющей торовое сечение и соединенной с источником давления, для обеспечения моделирования реальных процессов нагружения и получения возможности безопасного наблюдения за процессом возникновения и развития разрушения нагрузочное приспособление расположено внутри испытуемой оболочки и снабжено системой циклического изменения нагрузки, выполненной в виде штока, проходящего вдоль оси камеры из эластичного материала, один конец которого прикреплен к стенкам камеры в верхней ее части, а другой соединен с приводом, обеспечивающим возвратно-поступательное перемещение штока с возможностью изменения длины хода и скорости перемещения.
Заявляемая конструкция устройства позволяет осуществлять, согласно способу, циклическое нагружение испытуемой оболочки, в том числе поврежденной внутренним давлением (при изменении объема эластичной камеры под действием усилия со стороны возвратно поступательно перемещающегося штока, жестко связанного с ней), дает возможность изменять параметры режима нагружения, приводя их в соответствие с реальными процессами (путем соответствующего выбора рабочего вещества - жидкости, газа или их смеси, изменения начального давления в камере, длины хода и скорости перемещения штока), и наблюдать за развитием процесса разрушения любым из известных методов неразрушающего контроля и экспериментальной механики разрушения. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые технические решения связаны между собой единым изобретательским замыслом.
Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает: заявляемый способ отличается от известного тем, что а) осуществляют циклическое нагружение испытуемой оболочки с дефектами формы и материала внутренним давлением; б) параметры режима нагружения определяют из реальных условий эксплуатации испытуемой оболочки.
При изучении других технических решений в данной области техники установлено, что данные признаки ранее не встречались, таким образом, вся совокупность признаков заявляемого способа является новой, и он соответствует критерию изобретения "новизна". Именно наличие вышеназванных отличительных признаков обеспечивает достижение указанного технического результата изобретения - приближение опасных критических условий испытания к реальным процессам нагружения, в результате чего повышается точность оценки несущей способности испытуемой оболочки. Таким образом, заявляемое техническое решение - способ соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".
Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемая конструкция отличается от известней наличием системы циклического изменения нагрузки и расположением нагрузочного приспособления внутри испытуемой оболочки. При изучении других технических решений в данной области техники первый из названных признаков ранее не встречался, следовательно, заявляемая совокупность признаков является новой, и заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Названные отличительные признаки являются существенными, поскольку именно они обеспечивают достижение указанного технического результата изобретения, т.е. заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".
Заявляемый способ реализован с помощью устройства, схема которого представлена на чертеже.
Устройство содержит нагрузочное приспособление в виде камеры 1 из эластичного материала, имеющую торовое сечение, помещаемую внутрь испытуемой оболочки 2 (испытуемой конструкции), установленной на основании 3, и заполняемую рабочим веществом (газом, жидкостью или их смесью) от источника давления 4 через штуцер 5.
Давление в камере контролируется по манометру 6, сброс давления осуществляется через клапан 7. Устройство снабжено системой циклического изменения нагрузки, представляющей собой шток 9, проходящий вдоль оси камеры 1, который одним концом прикреплен в верхней части камеры 1 к ее стенке с помощью крепежного приспособления 8, а вторым концом эксцентрично закреплен на диске 10, приводимом в движение посредством вала 11 от двигателя с регулируемой частотой вращения 12, в целом составляющих кулисный механизм. На наружной поверхности испытуемой оболочки 2 установлена видео- и телемеханическая система наблюдения за развитием разрушения с датчиками 13 и индикаторным блоком 14. Для ликвидации трения штока об оболочку камеры 1 при повышенных давлениях во внутренней части камеры 1 может быть установлено распорное кольцо.
Устройство работает следующим образом.
После установки камеры 1 из эластичного материала внутрь испытуемой оболочки 2 в нее подается рабочее вещество от источника давления 4 через штуцер 5 до получения в камере 1 некоторой величины давления Р1, устанавливаемой по манометру 6. Подачу рабочего вещества прекращают, включают двигатель 12, приводящий во вращательное движение вал 11 и диск 10, в результате чего шток 9 начинает совершать возвратно-поступательное движение с частотой, равной частоте оборотов вала 11, и перемещает за собой стенки камеры 1, изменяя ее объем, при этом в верхнем положении штока 9 давление в камере равно P1, с движением штока вниз объем камеры уменьшается, а давление в ней увеличивается, достигая максимальной величины Р2 при нижнем положении штока. Таким образом, происходит циклическое нагружение испытуемой оболочки 2 внутренним давлением со средним давлением цикла Р m= 
, амплитудой колебаний давления Рa= 
и числом циклов колебании в минуту, равным числу оборотов вала 11.
Изменение параметров цикла нагружения производится:
1) начального давления Р1 - регулированием подачи рабочего вещества в камеру;
2) конечного давления Р2 - изменением длины хода штока путем закрепления его на диске на разном расстоянии от центра диска, а также путем перемещения двигателя 12 с валом 11 и диском 10 по оси установки;
3) частоты нагружения - изменением числа оборотов вала 11. Величины давлений Р1 и Р2 и тип рабочего вещества устанавливают, исходя из реальных условий эксплуатации испытуемой оболочки 2. В ходе испытаний осуществляют наблюдение за развитием процесса разрушения испытуемой оболочки, фиксируя число циклов нагружения на каждом этапе, что позволяет определить ресурс поврежденной оболочки.
Использование предлагаемого способа испытания оболочечных конструкций и устройства для его осуществления позволяют по сравнению с существующим более полно воспроизвести условия работы оболочечных конструкций, в том числе поврежденных, и тем самым повысить точность оценки их несущей способности. Этому способствует также возможность осуществления безопасного наблюдения за развитием процесса разрушения, т.к. более точно фиксируются во времени этапы процесса разрушения, следовательно, точнее оценивается ресурс поврежденной конструкции, имеющей разного рода дефекты (трещины, не провары в сварном шве, заплаты, задиры, забоины, вмятины, свищи и т.п.), чего не позволяют сделать известные способы.
Источники информации.
1. ГОСТ 3847-75. Трубы металлические. Методы испытания гидравлическим давлением. 2. Мазур И.И., Иванцов О.М., Молдаванов О.И. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов. - М.: Недра, 1990, с.264. 3. А.с. СССР №324538, МКИ G 01 М 19/00, БИ №2, 1972 (прототип).
Формула изобретения
1. Способ испытания оболочек, преимущественно поврежденных, внутренним давлением, предусматривающий приложение статической нагрузки, равномерно распределенной по поверхности испытуемой оболочки, с помощью камеры из эластичного материала, соединенной с источником давления, выдержку под нагрузкой и последующее ее снятие, отличающийся тем, что камеру помещают внутрь испытуемой оболочки и, после наполнения ее рабочим веществом до получения требуемой величины статической нагрузки, осуществляют циклическое изменение величины нагрузки, причем диапазон, частоту и число циклов изменения, а также тип рабочего вещества (газ, жидкость или их смесь) определяют из реальных условий эксплуатации испытуемой конструкции.
2. Устройство для испытания оболочек, преимущественно поврежденных, внутренним давлением, содержащее нагрузочное приспособление в виде камеры из эластичного материала, имеющей торовое сечение, соединенной с источником давления, отличающееся тем, что нагрузочное приспособление расположено внутри испытуемой оболочки и снабжено системой циклического изменения нагрузки, выполненной в виде штока, проходящего вдоль оси камеры из эластичного материала, один конец которого прикреплен к стенкам камеры в верхней ее части, а другой соединен с приводом, обеспечивающим возвратно-поступательное перемещение штока с возможностью изменения длины хода и скорости перемещения.
РИСУНКИ
