Испытательная установка на динамический разрыв образцов металла
TEST SETUP FOR DYNAMIC RUPTURE OF METAL SPECIMENS

Изобретение относится к испытательной технике, к установкам для испытания образцов трубной стали на разрыв и может быть использовано для оценки эксплуатационных свойств металла магистральных труб - полнотолщинных образцов металла на динамический разрыв с усилием разрыва до 600 тс (форма образца - прямоугольная с надрезом одного края посередине типа SENT-образец, размер образца: длина 90-150 см, ширина, вдоль которой движется трещина, ≤100 см).
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание установки, способной разрушить SENT-образец по всей его ширине со скоростью распространения трещины ≈100-150 м/с при динамическом нагружении.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является конструкция машины для динамического растяжения образцов металла на динамический разрыв (F. Rivalin, M. Di Fant, A. Pineau "Dynamic ductile tearing in high streght pipeline steels". International Pipeline Conference - Volume 1, ASME 1996). Машина предназначена для динамического растяжения SENT-образца 43×25 см, при скорости распространения трещины 20-40 м/с и состоит из двух плит, к которым крепится образец.
Совместно с растяжением образца с помощью четырех домкратов, опирающихся на плиты, происходит растяжение специально установленной силовой пружины. В момент страгивания трещины происходит падение нагрузки. Дальнейшее динамическое продвижение трещины в образце обеспечивается усилием при сжатии пружины в результате высвобождения упругой энергии, накопленной на этапе ее растяжения.
В процессе разрыва образца определяют удельную энергию трещинообразования в зависимости от длины трещины и скорости ее распространения. На всем протяжении испытания длину трещины на поверхности образца контролируют высокоскоростной видеокамерой.
Недостаток конструкции ближайшего аналога связан с ограничением максимально возможного усилия 400 тс, прикладываемого к образцу, лимитируемого величиной максимального усилия сжатия пружины. Нагрузка, передающаяся на образец, зависит от жесткости пружины и падает по мере раскрытия трещины, что влияет на параметры распространения трещины. Данное устройство имеет ограничение по такой важной характеристике трещиностойкости, какой является скорость распространения трещины, которая не превышает 20-40 м/с (для сравнения скорость распространения трещины в трубе магистрального трубопровода ≈150-200 м/с). Перечисленные факторы приводят к ограничению функциональных возможностей испытательной машины.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей испытательной машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в конструкции испытательной установки на динамический разрыв образцов металла, включающей опорную и разгонную плиты, захваты, с помощью которых к плитам крепится образец исследования, устройство для статического нагружения образца, в качестве которого используют гидродомкраты, и устройство для динамического нагружения образца, новым является то, что в качестве устройства для динамического нагружения образца используют пневмоцилиндры с поршнями, рабочие объемы которых заполнены горючей газовой смесью, к разгонной плите с помощью направляющих присоединен отбойник, с возможностью перемещение плиты и отбойника вдоль этих направляющих, на концах которых, со стороны отбойника установлены пластически деформируемые трубы, дополнительно для жесткости соединения включена плита крепления пневмоцилиндров и плита крепления гидродомкратов, кроме того, установка размещена на рельсах с возможностью свободного осевого перемещения.
Отличительные признаки обеспечивают достижение максимального давления в каждом нагружателе, равного 200 атм, и суммарного усилия в шести нагружателях 800 тс за 10-15 мс. Для динамического разрыва образца по всей его ширине с помощью шести нагружателей создается нагрузка, действующая на опорную и разгонную плиты. Источником энергии нагружения является энерговыделение при горении газовой смеси, создающее давление в нагружателях. Для разрыва образца в режиме статического нагружения используются шесть гидродомкратов, обеспечивающих суммарное усилие до 1200 тс. При разрыве образца для торможения плиты разгонной используется плита отбойник. В испытательной установке предусматривается выдача информации по изменению во времени усилия разрыва образца, смещения захватов и смещения вершины трещины.
Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения может служить испытательная установка, схематично представленная на фиг. 1, на фиг. 2.
В испытательной установке образец 1 с помощью шкворней 2 соединен с захватами 3 и 4. Для увеличения прочности в зоне отверстий под шкворни края образца имеют утроенную толщину. Захваты закреплены на плите опорной 5 и плите разгонной 6. Конструктивно плита опорная выполнена в виде двух стальных плит 20, соединенных между собой набором стальных пластин 21. На четырех поверхностях захвата 3 устанавливаются тензодатчики 19 для получения временной зависимости деформации при растяжении захвата, которая пересчетом переводится во временную зависимость усилия растяжения образца.
Для динамического разрыва образца по всей его ширине с помощью шести нагружателей, выполненных в виде пневмоцилиндров 8 с поршнями 9, создается нагрузка, действующая на плиту опорную 5 и плиту разгонную 6. Для разрыва образца в режиме статического нагружения используются шесть гидродомкратов 10. Для ориентации и фиксации нагружателей и гидродомкратов в конструкции разрывной машины устанавливается плита крепления нагружателей 14 и плита крепления гидродомкратов 15. При разрыве образца для торможения плиты разгонной используется плита отбойник 7. По конструкции она схожа с плитой опорной и отличается только толщиной и массой. Плита опорная и плита отбойник соединены между собой четырьмя направляющими 11. Крепление направляющих обеспечивает свободное перемещение плит вдоль этих направляющих. Для уменьшения амплитуды нагрузки, действующей на направляющие при ударе плиты разгонной об плиту отбойник, на концах направляющих, со стороны плиты отбойник, устанавливаются пластически деформируемые трубы 12. Концы направляющих фиксируются гайками 13 с упорной резьбой. Для того чтобы плита разгонная двигалась только в направлении растяжения образца (в осевом направлении), в плите отбойнике располагаются четыре направляющие шпильки 16, которые проходя сквозь плиту разгонную 6, ограничивают ее боковое смещение.
Свободное (с минимальным трением) осевое перемещение испытательной установки обеспечивается двумя тележками 17 с возможностью двигаться по рельсам 18.
Для регистрации изменения расстояния между шкворнями предполагается использование промышленно изготавливаемых датчиков перемещения, а для контроля движения трещины - набор параллельно расположенных проволочек жестко связанных с поверхностью образца в зоне предполагаемой траектории движения трещины. По моменту разрыва проволочки фиксируется время нахождения трещины в координате расположения данной проволочки.
Испытательная установка работает следующим образом.
Перед проведением испытания образец 1 с помощью шкворней 2 крепится к захватам 3 и 4, которые жестко связаны с плитой опорной 5 и плитой разгонной 6. Затем пневмоцилидры 8 заполняются газовой смесью (водород + воздух) заданной концентрации и давления. Начальное давление и концентрация водорода в смеси определяют скорость нарастания нагрузки и максимальное давление продуктов сгорания. Размеры пневмоцилидра 8 (отношение длины к диаметру) выбираются из условия длительности воздействия нагрузки на образец и спада давления за счет остывания газа, а также исключения возможности взрыва и детонации газовой смеси. После зажигания газовой смеси с ростом давления в пневмоцилиндрах 8 создается усилие растяжения образца 1, приводящее к образованию в нем трещины и дальнейшему разделению образца на две части. Плита разгонная 6 вместе с захватом и связанной с ним частью образца приобретает скорость, для гашения которой используется плита отбойник 7. Для торможения плиты отбойника 7 и плиты разгонной 6 в момент их совместного движения через систему четырех направляющих 11 подключается плита опорная 5. С целью уменьшения ударной нагрузки на направляющие 11 (ограничения по амплитуде) в установке используются пластически деформируемые трубы (демпферы) 12.
При работе испытательной установки с помощью тензодатчиков, датчиков давления и датчиков перемещений определяются силовые характеристики образца - зависимости прикладываемого усилия от перемещения захватов, а также определяется скорость трещины (с помощью разрывных проволочек). По измеряемым параметрам определяются характеристики разрушения трубной стали для оценки ее трещиностойкости.
Разработка конструктивной схемы испытательной установки была проведена с помощью компьютерного моделирования, которое показало возможность реализации используемых технических решений.