Способ определения прочности металлических запорных элементов обратного клапана гидрорезного оборудования


 


Владельцы патента RU 2534003:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") (RU)

Изобретение относится к области исследования и анализа твердых материалов путем определения их прочностных свойств, а именно определения коррозии и трещин в металлических запорных элементах - напорных клапанах высокого давления гидрорезного оборудования в процессе их циклического нагружения во время работы насоса, и может быть использовано для оценки их работоспособности. Сущность: образцы запорных элементов подвергают циклической нагрузке давлением воды с интервалом между циклами нагружения 0,05-0,1 с. Технический результат: возможность достоверного определения ресурса работы запорного элемента гидрорезного оборудования за счет осуществления процесса максимально приближенным к реальным условиям. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области исследования и анализа твердых материалов путем определения их прочностных свойств, а именно определения коррозии и трещин в металлических запорных элементах - напорных клапанах высокого давления гидрорезного оборудования в процессе их циклического нагружения во время работы насоса, и может быть использовано для оценки их работоспособности.

Из уровня техники известен способ определения ресурса работы конструкции, в котором образцы, изготовленные из материала, соответствующего конструкции, подвергают комплексному исследованию с последующей оценкой его физико-химических свойств, по результатам которой может быть установлен остаточный ресурс работы конструкции (RU 2108560 С1, G01N 3/00, 10.04.1998).

Недостатком данного способа является невозможность оценки повреждаемости материала при одновременном воздействии циклической нагрузки и жидкой среды (воды), которые способствуют возникновению множества физических явлений в материале конструкции (запорных элементов) гидрорезного оборудования, инициирующих процессы коррозии и появление трещин в материале запорных элементов конструкции.

Кроме того, из уровня техники известен способ определения повреждаемости нагруженного материала конструкции и ресурса ее работоспособности. Согласно данному способу оценку степени повреждения материала проводят по результатам испытания образцов в статике и при циклическом нагружении. Предварительно образцы подвергают отжигу и термоупрочнению. Затем для каждого состояния материала расчетным путем устанавливают меру повреждения материала, учитывая при этом физические параметры образцов, полученные неразрушающим методом контроля (НК) и меру повреждения с критерием повреждения. После чего определяют запас по ресурсу и полный ресурс работы конструкции (RU 2139515 С1, G01N 3/00, 10.10.1999).

К недостаткам описанного выше способа можно отнести следующее:

1. Несоответствие условий испытаний образцов в известном способе и условий испытаний модельного образца (запорного элемента) установки гидрорезного оборудования в предлагаемом способе;

2. Не учитывается эффект появления напряженного состояния материала в процессе длительного его испытания, как это имеет место при работе гидрорезного оборудования;

3. Не учитывается природа появления повреждаемости поверхностного слоя материала вследствие появления коррозии и сопутствующих ей физических явлений (гидролиз, гидратация и поляризация), инициирующих и усиливающих процессы коррозии и появления трещин, как это имеет место при работе материала обратного клапана гидрорезного оборудования.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является достоверное определение ресурса работы запорного элемента (обратного клапана) гидрорезного оборудования, за счет осуществления процесса максимально приближенным к реальным условиям.

Под ресурсом работы следует понимать длительность работы и максимальную величину циклической нагрузки при работе насоса.

Указанный технический результат достигается посредством того, что при осуществлении способа определения прочности металлических запорных элементов обратного клапана гидрорезного оборудования образцы запорных элементов подвергают циклической нагрузке давлением воды с интервалом между циклами нагружения 0,05-0,1 с.

Способ осуществляется следующим образом.

На модельном образце, установленном в обратном клапане, определяли повреждаемость его при испытании в режиме циклического нагружения давлением воды с паузами между циклами 0,05-0,1 с. Негерметичность обратного клапана оценивали по прибору, регистрирующему спад давления воды. Потери герметичности позволяли установить предельную величину давления нагружения и время работы клапана. Изменение структуры в материале уплотнения клапана в местах его повреждения и образования в нем трещин оценивали с помощью оптической и электронной металлографии, а химический состав - микрорентгеноспектральным анализом.

Таким образом, заявленный способ осуществляют следующим образом:

- модельные образцы подвергают циклическому нагружению водой с частотой циклов 0,05-0,1 с;

- величину давления нагружения и время испытаний задают экспериментально и устанавливают их предельные величины до появления повреждаемости материала модельного образца;

- повреждаемость модельных образцов определяют методом неразрушающего контроля (НК) по прибору, регистрирующему падение давления воды;

- изменение структуры поврежденного материала модельного образца оценивают с помощью оптической и электронной металлографии;

- изменение химического состава поврежденного материала модельного образца устанавливают с помощью микрорентгеноспектрального анализа;

- критерием оценки ресурса работы материала (уплотнения) являются величина нагружения и время испытания, полученные на модельных образцах до их повреждения.

Известен материал ВК10, преимущественно используемый для запорных элементов в напорном клапане гидрорезного оборудования. Состав материала: карбид вольфрама-кобальт (см. Насосные агрегаты сверхвысокого давления для гидроструйной резки. Теория и расчет, 4.1, учебное пособие, авторы B.C. Белоусов, Д.Н. Смирнов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006-67 с.). Недостатком этого материала является склонность к коррозии с одновременным появлением трещин при гидрорезке. Причем появление указанных дефектов было зафиксировано при давлении 600 МПа и время их возникновения не превышало 7 минут.

Пример реализации заявленного способа.

Модельный элемент, изготовленный из сплава ВК10, помещали в напорный клапан гидрорезного оборудования и подвергали циклическому нагружению водой при давлении 100, 200, 300 и 400 МПа. Пауза между циклами нагружения составляла 0,05-0,1 с. Время выдержки при каждой нагрузке образца суммарно составляла 100 часов. Испытание каждого образца проводили многократно (5 раз по 20 часов при каждом давлении нагружения). После разгрузки осуществляли визуальный контроль поверхностей модельного образца. По истечении последнего испытания (пятого, что соответствовало суммарной 100 часовой выдержке) контроль осуществляли металлографическим анализом. Ни в одном случае при нагружении до 400 МПа повреждение поверхности уплотнения не обнаружено. Вместе с тем при повышении давления свыше 400 МПа на поверхности модельного образца (уплотнения) были зафиксированы следы повреждения поверхности. Таким образом, проведенные испытания и исследования позволили установить оптимальное рабочее давление нагружения на образец клапана, которое не должно превышать 400 МПа, а рабочее время при этом может быть не более 100 часов. Давление свыше 400 МПа при работе гидрорезного оборудования создавать нецелесообразно из-за появления в материале клапана повреждений в виде следов коррозии, микротрещин, измененной структуры и химического состава материала.

В зоне разрушения происходит резкое изменение структуры. Здесь же появляется серия микротрещин и одновременно в этих местах меняется химический состав материала, заключающийся в уменьшении содержания кобальта с 10% до 1% (в сплаве ВК10 содержание кобальта составляет 10%). Последовательность этих изменений связана с тем, что на стадии, предшествующей коррозии, на поверхности материала (сплава ВК10) появляется электродвижущая сила (ЭДС). Вследствие ее образования происходит гидролиз (в воде) с расщеплением соли (NaCl), всегда имеющейся в воде), на элементы Na и Cl. Здесь же ЭДС вызывает диссоциацию воды (H2O) с выделением водорода (Н2) и кислорода (О2). Одновременно в поверхностном слое материала появляются напряжения, релаксация которых из-за малой паузы между нагружениями полностью не происходит. Отсюда в этой зоне материала, контактирующего с водой, возникает системное накопление напряжений. Наряду с этим, в воде (в зоне контакта с материалом) выделяется тепло, появляющееся вследствие циклического нагружения конструкции высоким давлением (до 600 МПа) в процессе резки на гидрорезном оборудовании. Подогреваемая вода в местах контакта с материалом уплотнения легко вступает в реакцию с хлором, образуя соляную кислоту (HCl), являющуюся сильным растворителем многих химических элементов, в том числе кобальта - элемента сплава ВК10. Появление тепла в зоне контакта материала уплотнения связано с экзотермической реакцией воды при ее сдавливании большим давлением. Максимальное тепло наблюдается в интервале нагружения давлением 200-300 МПа.

В поврежденном слое материала запорного элемента одновременно наблюдаются коррозионное растрескивание материала с наличием в нем микротрещин и изменение в этой же зоне микроструктуры материала и его химического состава. Инициированию этих процессов способствует также напряженное состояние материала клапана. Влияние циклической нагрузки на накопление повреждаемости нужно рассматривать как катализатор процесса коррозии и появления микротрещин, а воду - как активатор, способствующий появлению коррозии, микротрещин и изменению микроструктуры и химического состава материала.

Появление очага повреждаемости происходит при конечной величине нагружений, определяемой экспериментально НК в процессе испытания материала клапана, после достижения которой дальнейшее повышение нагрузки невозможно из-за появления негерметичности уплотнения клапана. Отсюда следует, что только имитационные испытания способны установить реальную конечную величину циклического нагружения и время до появления повреждений на материале запорного элемента, а также ресурс его работоспособности, что позволяет повысить точность определения режимов работы гидрорезного оборудования и в итоге приводит к повышению его надежности.

Заявленные в формуле изобретения интервалы в совокупности с прочими существенными признаками формулы являются необходимыми и достаточными для достижения указанного технического результата, что подтверждается примерами, представленными в таблице.

Таблица
№ п/п Пауза между циклами нагружения, с Показатели
1 0,035 Уменьшается ресурс работы ряда деталей в насосном агрегате
2 0,05 Запорный элемент функционирует без повреждений и снижения КПД насосного агрегата при условии величины нагружения ниже предельно допустимого
3 0,075 Запорный элемент функционирует без повреждений и снижения КПД насосного агрегата при условии величины нагружения ниже предельно допустимого
4 0,1 Запорный элемент функционирует без повреждений и снижения КПД насосного агрегата при условии величины нагружения ниже предельно допустимого
5 0,15 Происходит снижение объемного КПД насосного агрегата ниже допустимого значения

Таким образом, заявленный способ осуществляют в условиях, приближенных к рабочим (с паузами 0,05-0,1 с), являющихся рациональными для насосов гидрорезного оборудования. При частоте меньшей 0,05 с ресурс работы ряда деталей в насосном агрегате уменьшается. При увеличении времени цикла более 0,1 с происходит снижение объемного КПД насосного агрегата ниже допустимого значения (падает производительность агрегата).

На фиг.1 представлен фотографический снимок - участок с дефектами, полученными при максимальной величине нагрузки водной средой.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для определения прочности металлических запорных элементов обратного клапана гидрорезного оборудования;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Способ определения прочности металлических запорных элементов обратного клапана гидрорезного оборудования, при котором образцы запорных элементов подвергают циклической нагрузке давлением воды с интервалом между циклами нагружения 0,05-0,1 с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, в частности, при аттестации, сертификации и исследовании продукции заводов, выпускающих шпалы.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним повторяющихся или пульсирующих усилий, более конкретно, путем воздействия на испытываемый образец циклических нагрузок.

Изобретение относится к исследованию механических свойств материала, в частности к определению технологических параметров процессов (усилий, напряжений, деформаций, перемещений).

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к области экспериментальной техники и может быть использовано в стендах прочностных испытаний конструкций. .

Изобретение относится к области исследования трибологических свойств металлических покрытий путем электрохимического растворения микроучастка поверхности образца с целью оценки линейного износа.

Изобретение относится к испытательной технике. .

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано в строительной отрасли. Предлагаемый способ заключается в том, что предварительно выявляют место наибольшей осадки фундамента здания.

Изобретение относится к лабораторному моделированию в геофизике с применением электрогидравлического, программно управляемого пресса и может быть использовано для исследований процессов разрушения горных пород с целью отработки методик и алгоритмов прогнозирования сейсмической опасности в природных массивах.

Изобретение относится к испытательной технике. Призматический образец имеет форму призмы, продольную и поперечную плоскости симметрии, два боковых выступа, расположенных продольно, по концам призмы - опорные поверхности, а в центральной ее части - поверхность нагружения поперечной испытательной нагрузкой.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Центробежная установка содержит корпус, установленные на нем вал с приводом вращения, гидроцилиндр, закрепленный на валу перпендикулярно его оси, размещенные в гидроцилиндре поршень, фиксатор положения поршня в гидроцилиндре, захват для соединения с торцом образца, закрепленный на поршне в подпоршневой полости, и источник среды, соединенный с подпоршневой полостью гидроцилиндра посредством входного отверстия в гидроцилиндре.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендам, которые предназначены для проведения гидроиспытаний корпусов ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).

Изобретение относится к диагностированию сосудов, работающих под действием статических и малоцикловых нагрузок от внутреннего избыточного давления, и может быть использовано для оценки прочности сосудов при диагностировании с учетом фактических параметров нагруженности их конструктивных узлов и элементов.

Изобретение относится к технике испытаний труб для магистральных газопроводов. .

Изобретение относится к области производства буровых алмазных долот, а именно к входному контролю качества алмазных зубков. .

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к испытаниям на прочность неразъемных механических соединений, образованных пластической деформацией материала трубы, размещенного в полости имитатора.

Использование: для тестирования истинной прочности или жесткости твердых или сверхтвердых компонентов, используя акустическую эмиссию. Сущность изобретения заключается в том, что устройство тестирования на основе акустической эмиссии содержит тестируемый образец, включающий твердую поверхность, акустический датчик, индентор, соединенный с твердой поверхностью, и нагрузку. Нагрузка прикладывается к индентору, который передает нагрузку на твердую поверхность. Нагрузку повышают до пиковой нагрузки, выдерживают в течение определенного времени и затем понижают. Акустический датчик соединен с возможностью передачи данных с тестируемым образцом и детектирует одно или более акустических событий, возникающих в тестируемом образце. Система тестирования на основе акустической эмиссии включает в себя блок записи данных, соединенный с устройством тестирования. Блок записи данных записывает данные из устройства тестирования. На основе принятых данных объективно определяется жесткость образца, и по жесткости образец может быть расположен в определенном порядке по отношению к другим образцам. Технический результат: повышение точности тестирования жесткости на основе акустической эмиссии. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 23 ил.
Наверх