УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИИ, НАГРУЖЕННОЙ ДАВЛЕНИЕМ ЖИДКОЙ И/ИЛИ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ
DEVICE TO CONTROL MATERIAL STATE IN OPERATION OF STRUCTURES LOADED BY PRESSURE OF FLUID AND/OR GASEOUS MEDIUM

Устройство обеспечивает безопасную эксплуатацию конструкций, преимущественно сосудов и трубопроводов высокого давления, находящихся в условиях действия агрессивной среды и проникающего излучения. К таким конструкциям относятся корпуса химических и атомных реакторов, компоненты арматуры первичного контура АЭС, нефте- и газопроводы. Ввиду больших сроков эксплуатации (десятки лет) и широкого диапазона поражающих воздействий практически невозможно обеспечить полноту проектного обоснования прочности таких конструкций. Как правило, вероятность запроектных аварий в этих случаях достаточно велика, поэтому эксплуатацию таких конструкций необходимо сопровождать текущим контролем состояния материала.
Известно устройство для определения эрозионно-коррозионного разрушения трубопроводов (авт. св. СССР №367369, 1973 г.), содержащее образец эксплуатируемого трубопровода. В образце выполнены (снаружи) кольцевые проточки различной глубины. Образец снабжен охватывающими муфтами, герметизирующими зоны проточек, и индикаторами, фиксирующими повышение давления в этих зонах как признак разрушения зоны. Нагружающим узлом устройства является рабочий компрессор (насос), питающий эксплуатируемый трубопровод (в описании не упомянут). Следует отметить, что образец трубопровода - это по сути дела групповой образец-свидетель, напряженно-деформированное состояние каждой зоны которого подобно и идентично во времени напряженно-деформированному состоянию эксплуатируемой конструкции. Таким образом, последовательность разрушений контролируемых зон образца позволяет судить о величине остаточного прочностного ресурса эксплуатируемой конструкции (трубопровода).
Недостатком устройства является жесткая геометрическая привязка его размеров к размерам эксплуатируемой конструкции и как следствие - зауженный диапазон промышленной применимости.
Известно устройство (принято в качестве прототипа) для контроля повреждаемости трубопроводов (RU 2034271 С1, 1995 г.). Устройство содержит нагружающий узел с мембранным силовым приводом от давления рабочей среды. Наличие рабочего компрессора в схеме нагружающего узла предполагается (здесь и в дальнейшем) по умолчанию. Образец-свидетель (цилиндрический стержень, одноосное растяжение) установлен в тангенциальную прорезь трубопровода и, следовательно, подвержен тем же воздействиям, что и материал трубопровода. Устройство обеспечивает идентичность во времени напряженно-деформированных состояний образца-свидетеля и материала трубопровода. Конструктивно обеспечена также возможность выемки образца-свидетеля и его лабораторных испытаний разрушающими и неразрушающими методами, а также текущий контроль его целостности в процессе эксплуатации трубопровода. Допускается возможность установки нескольких образцов-свидетелей для последующей оценки кинетики разрушения материала трубопровода.
Недостатки этого устройства сводятся к следующему. Во-первых, в эксплуатируемую конструкцию дополнительно внесены концентраторы напряжений в виде тангенциальных прорезей и сварных швов. Во-вторых, прочность мембраны (основного элемента нагружающего узла) менее гарантирована, чем прочность эксплуатируемого трубопровода. И, наконец, в-третьих, при достаточно высоких давлениях (выше 10 МПа) и больших диаметрах трубопровода (порядка 500 мм), что характерно, к примеру, для АЭС, это устройство конструктивно не вписывается в приемлемые размеры. Таким образом, рассматриваемое устройство ограничено в промышленном применении. Помимо этого, рассматриваемое устройство в общем случае не обеспечивает подобия напряженно-деформированного состояния образца-свидетеля напряженно-деформированному состоянию эксплуатируемой конструкции. Для этого образец-свидетель должен быть (в известном смысле) уменьшенной копией эксплуатируемой конструкции, и его нагружение следует осуществлять внутренним избыточным (по отношению к рабочему) давлением, отличающимся во времени от рабочего давления на коэффициент.
Технический результат изобретения - повышение эффективности и расширение области промышленной применимости устройства. Технический результат достигается за счет того, что нагружающие узлы выполнены в виде мультипликаторов, на входы которых подано давление упомянутой среды, а выходы их введены в эксплуатируемую конструкцию через штатные технологические проемы, где к ним подключены образцы-свидетели.
0
i
0
i
0
На фиг.1 показана кинематическая схема устройства контроля состояния материала в процессе эксплуатации конструкции, нагруженной давлением жидкой и/или газообразной среды. В сосуде 1, нагруженном давлением Р, установлены образцы-свидетели 2, нагруженные внутренними давлениями Р, i=1, 2, 3, создаваемыми мультипликаторами 3, на входы которых подано давление Р. В аспекте напряженно-деформированного состояния образцы-свидетели 2 подобны (по критериям теории подобия) самой конструкции сосуда 1. На фиг.1 образцы-свидетели 2 изображены как уменьшенные копии сосуда 1. Поскольку давление P, i=1, 2, 3, отличается от давления Р на коэффициент мультипликации, то напряжение в образце-свидетеле 2 также отличается (с точностью до гидростатической составляющей) от напряжения в сосуде 1 на коэффициент. В первом приближении подобие и идентичность во времени термомеханических состояний этих двух объектов конструктивно обеспечено. Размеры мультипликатора 3 не превышают размеров медицинского шприца объемом 20 мл. Размеры образца-свидетеля 2 - того же порядка.
р
p
1
2
3
Устройство работает следующим образом. Последовательность значений коэффициентов мультипликации (соотношение площадей большого и малого поршней мультипликатора 3) определяет последовательность разрушений образцов-свидетелей 2: большему коэффициенту мультипликации соответствует более раннее разрушение образца-свидетеля 2. Разрушение образца-свидетеля 2 (в самой конструкции) сопровождается перемещением поршневой группы мультипликатора 3 в крайнее левое положение, что может быть определено, к примеру, индуктивным датчиком перемещения. При этом герметичность системы не нарушается. Герметичность системы не нарушается и при частичной выгрузке образцов-свидетелей 2 из сосуда 1 для их лабораторных исследований. Образцы-свидетели поставляют информацию, в соответствии с которой и производится идентификация модели разрушения материала эксплуатируемой конструкции. Качественная сторона этих результатов отражена на фиг.2, где функция длительной прочности σ=σ(t) для трех групп образцов-свидетелей 2 проварьирована вероятностной полосой разброса. Может оказаться, что в рассматриваемом случае материал конструкции не следует принятой модели разрушения, и тогда по поведению первых двух групп образцов-свидетелей 2, время «жизни» которых определено значениями времени t и t, и по результатам их периодических испытаний разрабатывается иная модель материала. Во всяком случае разрушение (время t) образцов третьей группы - это весомое основание для принятия решения об остановке эксплуатации: разрушающее напряжение угрожающе приближено к расчетному. Для нефте- и газопроводов постановка образцов-свидетелей уместна не только внутри трубопровода, но и вне его, поскольку внешняя среда может оказаться более агрессивной, чем перекачиваемые углеводороды.
Эксплуатация устройства нуждается в постоянном научном сопровождении. Количество образцов-свидетелей может достигать нескольких сотен.