Способ испытания элементов котельного оборудования и трубопроводов на прочность и герметичность

Изобретение относится к способам испытания на прочность и герметичность элементов котельного оборудования и трубопроводов. Сущность: котельное оборудование и трубопроводы наполняют жидкостью, нагнетая давление до величины пробного давления. После достижения величины пробного давления котельное оборудование и трубопроводы выдерживают при этом давлении не менее 15 минут. Затем давление снижают, проводят визуальный осмотр котельного оборудования и трубопроводов. Если отсутствуют течи жидкости и разрывы металла, то делают вывод, что котельное оборудование и трубопроводы пригодны для эксплуатации. Технический результат: повышение надежности работы котельного оборудования и трубопроводов. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к способам проверки прочности и плотности стационарных трубопроводов и котлов и может быть использовано на тепловых электрических станциях, в котельных и на иных объектах энергетического назначения.

Известен способ определения допускаемого внутреннего давления для участков линейной части магистрального трубопровода со стресс-коррозионной трещиной (RU 2013145195 А, МПК F16L 57/02 (2006.01), опубл. 20.04.2015), заключающийся в том, что измеряют геометрические параметры участка трубопровода и стресс-коррозионной трещины, выявленной в результате диагностики. Учитывают коэффициент Пуассона, предел текучести, предел прочности, критические напряжения. При этом дополнительно определяют коэффициенты концентрации кольцевых и продольных напряжений в стенке трубопровода, термические напряжения. Затем проводят сравнение текущего рабочего давления в трубопроводе с допускаемым внутренним давлением, которое рассчитывают по математической зависимости

,

где δ - толщина стенки трубы, мм;

D - внешний диаметр трубы, мм;

σt - термические напряжения, МПа;

μ - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона);

n - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению;

γкц - коэффициент концентрации кольцевых напряжений в стенке трубопровода;

γпр - коэффициент концентрации продольных напряжений в стенке трубопровода;

[σ] - допускаемое напряжение, МПа, определяемое из условия:

[σ]=min{Rzкр},

где Rz - расчетные допускаемые напряжения при одноосном растяжении, МПа;

σкр - критические напряжения, МПа;

ε=(μ⋅γпр)2+(γкц)2-μ⋅γкц⋅γпр.

Недостатками этого способа являются высокая трудозатратность его осуществления и ограниченность применения - способ предназначен для трубопроводов с наличием стресс-коррозионной трещины.

Известно устройство для испытания труб на герметичность (RU 2184946 С1, МПК 7 G01M 3/08, опубл. 10.07.2002), содержащее основание, уплотнительные головки, опоры для трубы, выполненные в виде люнетов. Люнеты имеют регулируемые опорные и прижимные поверхности, соединенные с гидроцилиндрами, которые работают в единой гидравлической системе. Эта система управляется датчиком регулирования давления, который, в свою очередь, управляется сигналами датчика линейного положения торца испытуемой трубы, соединенного с выключателем подачи испытательного давления. Выключатель срабатывает при достижении торцом трубы положения, соответствующего началу пластической деформации в любом ее сечении.

Величину давления при проведении испытаний на герметичность оценивают по показаниям датчика регулирования давления. Для этого трубу укладывают на опоры в уплотнительную головку, герметизируют. Люнеты закрывают и прижимные поверхности устанавливают на поверхности трубы. Затем гидравлической системой в трубе нагнетают нарастающее давление, под действием которого испытуемая труба увеличивается в диаметре и укорачивается. Испытание проводят в пределах упругой деформации или близко к пластической. Если деформация трубы близка к пластической, то выключатель дает команду на прекращение подачи испытательного давления и прекращение испытания. Испытание прекращают, делают вывод, что трубы данного типа можно использовать в условиях, где они нагружены более низким давлением. Так, для труб из стали 45 при Р=32 МПа укорочение равно 0,328 см, при Р = 70 МПа - 0,831 см, при Р = 360 МПа - 4,25 см.

Недостатком является невозможность испытания элементов оборудования сложной геометрической формы, например, U-образных змеевиков.

Известен способ гидравлических испытаний на прочность и герметичность элементов котельного оборудования и трубопроводов (Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением», приказ федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 25 марта 2014 г. №116), выбранный в качестве прототипа, в котором испытуемое оборудование наполняют жидкостью при температуре от +5°С до +40°С, создавая пробное давление, определяемое по формуле:

,

где Р - рабочее давление, МПа;

[σ]20, [σ]t - допускаемые напряжения для материала элемента котельного оборудования и трубопровода соответственно при 20°С и расчетной температуре, МПа.

При этом тщательно контролируют рост давления по двум независимым поверенным манометрам. После достижения величины пробного давления Рпр, оборудование выдерживают не менее 15 минут, отслеживая значение давления, которое не должно падать вследствие неплотности испытуемого оборудования. После чего давление снижают до рабочего, проводят визуальный осмотр оборудования и трубопроводов в доступных местах.

Если в процессе испытаний и при осмотре не обнаружено течей жидкости и разрывов металла, падение давления в процессе выдержки не выходило за пределы, объясняемые колебаниями давления вследствие изменения температуры жидкости, а после испытаний не выявлено видимых остаточных деформаций, то считают, что оборудование и трубопроводы выдержали гидравлические испытания и могут эксплуатироваться при рабочем давлении Р и ниже этого значения,

Недостатком способа является нагружение оборудования давлением на 25-50% выше рабочего без учета внутренних напряжений и степени повреждаемости металла (наличия микронесплошностей и микротрещин). Эти факторы могут привести к увеличению скорости ползучести более чем в 2,5 раза, что повлечет за собой нарушение плотности оборудования еще до момента следующей проверки гидроиспытанием.

Задача изобретения - повышение надежности работы оборудования за счет учета внутренних напряжений при проведении испытаний на прочность и герметичность.

В предложенном способе испытания элементов котельного оборудования и трубопроводов на прочность и герметичность так же, как в прототипе, котельное оборудование и трубопроводы:

а) наполняют жидкостью при температуре от +5°С до +40°С, нагнетая давление до величины пробного давления Рпр. Контролируют рост давления по двум независимым манометрам. После достижения величины пробного давления Рпр котельное оборудование и трубопроводы выдерживают при этом давлении не менее 15 минут. Затем давление снижают, проводят визуальный осмотр котельного оборудования и трубопроводов;

б) если отсутствуют течи жидкости и разрывы металла, делают вывод, что котельное оборудование и трубопроводы пригодны для эксплуатации.

Согласно изобретению пробное давление определяют для не менее четырех образцов котельного оборудования и трубопроводов по выражению:

где s - толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;

Е - модуль нормальной упругости, МПа;

a i - параметр элементарной кристаллической решетки образца, ;

di - средний диаметр зерна, ;

- внутренние структурные напряжения II рода образца, МПа;

Dнар, Dвн - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.

За величину пробного давления испытаний Рпр принимают наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца .

Если величина пробного давления испытаний Рпр больше нуля, то выполняют действия а) и б).

Если величина пробного давления испытаний Рпр равна нулю или меньше нуля, то делают вывод о невозможности эксплуатации котельного оборудования и трубопроводов.

Величину рабочего давления при эксплуатации принимают равной пробному давлению Рпр или меньшей этого значения.

Максимально допустимое давление для трубы определяют по формуле [РД 10-249-98. «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» от 01.09.2001 г.]:

где ϕw - коэффициент прочности сварных соединений;

[σ] - номинальное допускаемое напряжение, МПа;

s - номинальная толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;

Dнар, Dвн - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.

Превышение максимально допустимого давления [Р] недопустимо из соображений безопасности, поэтому его величину принимали за величину пробного давления Рпр гидравлических испытаний, при этом коэффициент прочности сварных соединений ϕw приравнивали 1 [РД 10-249-98. «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» от 01.09.2001 г., раздел 4.2]:

Для нахождения напряжений в (2) Гриффитсом получено выражение:

где K - коэффициент интенсивности напряжений, [Кремнев Л.С. Критический коэффициент интенсивности напряжения и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №1. - С. 30-34].

Используя (3), определяли эффективный диаметр зерна d, разрушение которого возможно под действием напряжения σ:

Значение K определяли по формуле [Кремнев Л.С. Критический коэффициент интенсивности напряжения и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №1. - С. 30-34]:

где ai - параметр кристаллической решетки.

Выражение (5) подставляли в (4):

На основании (6) получили:

Соответственно (2) приняло вид:

Учитывая, что труба перед гидравлическим испытанием уже имеет внутренние структурные напряжения даже в состоянии поставки (фиг. 1), выражение (8) примет вид:

где s - толщина стенки трубы котельного оборудования и/или трубопровода, мм;

Е - модуль нормальной упругости, МПа;

a i - параметр элементарной кристаллической решетки образца, ;

di - средний диаметр зерна, ;

- внутренние структурные напряжения II рода образца, МПа;

Dнар, Dвн - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм.

Выбор пробного давления испытаний Рпр, как наименьшего из полученных величин , обосновывается на основании результатов измерения внутренних структурных напряжений участка трубы в состоянии поставки (фиг. 1), из которых следует, что внутренние структурные напряжения II рода не являются однородными для различных участков трубы: даже в состоянии поставки внутренние структурные напряжения II рода σII по длине трубы имеют существенный разброс - от нуля (фиг. 1, образцы 1) до 460 МПа (фиг. 1, образцы 4).

Внешние давления, складываясь с высокими внутренними структурными напряжениями, могут привести к разрушению структуры зерна (трещинообразованию). В этой связи пробное давление Рпр, прилагаемое к котельному оборудованию и трубопроводам при испытаниях на прочность и герметичность, должно быть скорректировано с учетом неравномерности распределения и величины внутренних структурных напряжений II рода.

Если полученная величина пробного давления испытаний Рпр меньше величины рабочего давления, при котором эксплуатируется котельное оборудование и трубопроводы, то необходимо заменить змеевик или снизить величину рабочего давления до значения Рпр или ниже его.

На фиг. 1 показана зависимость внутренних структурных напряжений II рода σII на участке U-образного змеевика из стали 10 (в состоянии поставки) от плотности дислокаций: 1 - релаксированные образцы прямых участков труб; 2, 3 - участки трубы из различных зон гибов; 4, 5 - образцы прямых участков.

На фиг. 2 показан U-образный змеевик с указанием областей, рекомендованных для отбора образцов.

В таблице 1 приведены результаты определения параметра элементарной кристаллической решетки ai и внутренних структурных напряжений II рода образцов из первого U-образного змеевика (сталь 10), а также полученные значения величин пробного давления для каждого образца .

В таблице 2 приведены результаты определения параметра элементарной кристаллической решетки и внутренних структурных напряжений II рода образцов из второго U-образного змеевика (сталь 10), а также полученные значения величин пробного давления для каждого образца .

Пример 1. В U-образном змеевике водогрейного котла из труб, изготовленных из стали 10 наружным диаметром Dнар=60 мм и толщиной s=3 мм, подготовили пять образцов. Образцы вырезали из одной произвольно выбранной трубы змеевика, как показано на фиг. 2, зачистили их поверхность, снимая имеющийся на поверхности слой ржавчины и окислов. На рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом рентгеновской дифракции измерили параметр элементарной кристаллической решетки ai образцов и средний диаметр зерна di (табл. 1). Затем определили внутренние структурные напряжения II рода образцов [Любимова Л.Л. Методика рентгенометрического анализа внутриструктурных напряжений // Известия Томского политехнического университета. - 2003. - Т. 306 - №4. - С. 72-77], которые представлены в таблице 1.

Модуль нормальной упругости Е при температуре 20°С для стали 10 составляет [Масленков С.Б. Стали и сплавы для высоких температур: Справочник: в 2 кн. / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова. - М.: Металлургия, 1991. - С. 51]:

Е=210000 МПа.

Значение внутреннего диаметра трубы Dвн составляет:

Dвн=Dнар-2⋅s=60-2⋅3=54 мм.

Определили величины пробного давления для каждого образца (табл. 1). За величину пробного давления испытаний Рпр приняли наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца:

Рпр=-5 МПа.

Полученное значение Рпр свидетельствует о том, что в процессе испытания труба не выдержит нагружения и будет разрушена, а U-образный змеевик невозможно эксплуатировать. Змеевик должен быть полностью заменен.

Пример 2. В другом U-образном змеевике водогрейного котла со схожими со змеевиком из примера 1 параметрами - материал сталь 10, наружный диаметр Dнар=60 мм и толщина s=3 мм - таким же образом подготовили пять образцов. Затем аналогично предыдущему примеру на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом рентгеновской дифракции измерили параметр элементарной кристаллической решетки ai образцов и средний диаметр зерна di, определили внутренние структурные напряжения II рода образцов (табл. 2), модуль нормальной упругости Е=210000 МПа и значение внутреннего диаметра трубы Dвн=54 мм, а также величины пробного давления для каждого образца , представленные в таблице 2.

За величину пробного давления испытаний Рпр приняли наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца:

Рпр=14 МПа.

Далее восстанавливали целостность трубы путем заваривания участков, из которых вырезали образцы.

Испытуемый U-образный змеевик при помощи насоса наполняли жидкостью с температурой +20°С, нагнетая давление до величины пробного давления Рпр=14 МПа. При этом контролировали рост давления по двум независимым манометрам. После достижения величины давления, равной пробному давлению Рпр, насос останавливали, а U-образный змеевик выдерживали 15 минут. После чего давление снижали, проводили визуальный осмотр U-образного змеевика. Отсутствовали течи жидкости и разрывы металла, что позволило сделать вывод, что U-образный змеевик пригоден для последующей эксплуатации до момента следующей плановой проверки. Величину рабочего давления U-образного змеевика по технологическим параметрам приняли Р=2,25 МПа.

Способ испытания элементов котельного оборудования и трубопроводов на прочность и герметичность, заключающийся в том, что котельное оборудование и трубопроводы а) наполняют жидкостью при температуре от +5° до +40°С, нагнетая давление до величины пробного давления Рпр, контролируют рост давления по двум независимым манометрам, после достижения величины пробного давления Рпр котельное оборудование и трубопроводы выдерживают при этом давлении не менее 15 минут, затем давление снижают, проводят визуальный осмотр котельного оборудования и трубопроводов, б) если отсутствуют течи жидкости и разрывы металла, делают вывод, что котельное оборудование и трубопроводы пригодны для эксплуатации, отличающийся тем, что пробное давление определяют для не менее четырех образцов котельного оборудования и трубопроводов по выражению:

где s - толщина стенки трубы котельного оборудования и трубопровода, мм;

Е - модуль нормальной упругости, МПа;

a i - параметр элементарной кристаллической решетки образца, ;

di - средний диаметр зерна, ;

- внутренние структурные напряжения II рода образца, МПа;

Dнар, Dвн - соответственно наружный и внутренний диаметры трубы котельного оборудования и трубопровода, мм,

причем за величину пробного давления испытаний Рпр принимают наименьшее из полученных величин пробного давления для каждого образца , если величина пробного давления испытаний Рпр больше нуля, то выполняют действия а) и б), если величина пробного давления испытаний Рпр равна или меньше нуля, то делают вывод о невозможности эксплуатации котельного оборудования и трубопроводов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области контроля герметичности полых изделий и может быть использовано для контроля герметичности самолетных топливных баков преимущественно сложной конфигурации.

Изобретение относится к области контроля течи по влажности воздуха. Измеренные значения относительной влажности и температуры передают в вычислительный блок, где их преобразуют в значения абсолютной влажности.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к стендам для испытаний торцовых уплотнений валов циркуляционных насосов. Стенд для испытаний торцовых уплотнений валов циркуляционных насосов содержит постамент с силовым корпусом.

Изобретение относится к устройствам для поиска мест негерметичности изделий. Сущность: устройство включает контрольную течь (1) с линейной шкалой (7) и течеискатель (10) со щупом (9).

Изобретение относится к области эксплуатации технологических трубопроводов нефтеперекачивающих станций. В способе гидравлических переиспытаний действующих технологических трубопроводов трубопроводы, работающие под давлением, периодически нагружают повышенным давлением воды и проводят наблюдения за отсутствием течи и/или разрывов металла и отсутствием падения давления ниже установленных пределов.

Настоящее изобретение относится к обнаружению утечек, в частности к обнаружению утечек текучей среды в шланге. Заявленная группа изобретений содержит чувствительное устройство, обнаруживающее утечку, для секции шланга, секцию шланга и систему обнаружения утечек.

Изобретение относится к определению герметичности посредством давления и может быть использовано для создания испытательного давления для шланга. Устройство для создания испытательного давления для шланга включает первую пару нажимных/приводящих роликов, между которыми может быть помещен шланг, и вторую пару нажимных/приводящих роликов, между которыми может быть помещен шланг.

Изобретение относится к области испытания устройств на герметичность и может быть использовано для испытания закрытых контейнеров, заполненных потребительским продуктом.

Изобретение относится к устройствам-течеискателям. Сущность: устройство содержит щуп (10), соединенный посредством шланга (11) через дроссель (D2) с вакуумным насосом (16), и датчик тестового газа (15).

Изобретение относится к области исследований устройств на герметичность и может быть использовано для контроля герметичности емкостей, изготовленных из двухслойных оболочек, например, топливных емкостей летательных аппаратов.

Изобретение относится к области испытаний ракетно-космической техники и может быть использовано для контроля герметичности корпуса космического аппарата и поиска места течи из его отсеков в условиях орбитального полета или в процессе вакуумных испытаний. Сущность: создают давление воздуха внутри корпуса (3) космического аппарата. Судят о наличии локальной негерметичности с использованием чувствительной среды. Для этого из источника (2) с заданным шагом вдоль поверхности корпуса (3) космического аппарата запускают индикаторные дискретные пористые частицы (1), меняющие свои траектории под воздействием газового потока (5) из течи. Измеряют отклонение положения мест ударов индикаторных частиц (1) о чувствительный экран-мишень (4), устанавливаемый под заданным углом для отражения их в ловушку (6). При этом чувствительность измерений регулируют изменением начальных скоростей индикаторных частиц (1) и расстояния между источником (2), запускающим индикаторные частицы (1), и экраном-мишенью (4), а также подбором пористости и истинной плотности индикаторных частиц (1). Технический результат: снижение величины порога чувствительности, повышение точности определения параметров локальной негерметичности в условиях вакуума, сокращение времени поиска места течи, упрощение диагностики. 2 ил.

Изобретение относится к способам испытания на прочность и герметичность элементов котельного оборудования и трубопроводов. Сущность: котельное оборудование и трубопроводы наполняют жидкостью, нагнетая давление до величины пробного давления. После достижения величины пробного давления котельное оборудование и трубопроводы выдерживают при этом давлении не менее 15 минут. Затем давление снижают, проводят визуальный осмотр котельного оборудования и трубопроводов. Если отсутствуют течи жидкости и разрывы металла, то делают вывод, что котельное оборудование и трубопроводы пригодны для эксплуатации. Технический результат: повышение надежности работы котельного оборудования и трубопроводов. 2 ил., 2 табл.

Наверх