СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО ПЕРЕПАДА ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ
TEST BLOCK FOR TESTS IN CONDITIONS OF INTERNAL PRESSURE CYCLIC DROP

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для испытания гибких элементов трубопроводов (самокомпенсирующихся труб, сильфонов, металлорукавов и т.д.) на ресурс в условиях циклического перепада внутреннего давления с одновременным определением полей упругопластических деформаций.
При эксплуатации магистральных нефтепроводов, теплотрасс ТЭЦ и других видов магистральных и технологических трубопроводов имеет место нестационарное циклическое нагружение внутренним давлением, которое может способствовать накоплению повреждений при работе конструкционного материала в максимально нагруженных зонах за пределом упругости и приводить к преждевременному выходу из строя высоконагруженных элементов трубопроводов по критериям малоцикловой усталости. Для уменьшения воздействия указанного эффекта применяются различные технические средства и устройства. Приведенный ниже материал касается так называемых самокомпенсирующихся труб (СКТ) и методам их испытаний на ресурс в условиях, близких к эксплуатационным. Основной эффект, производимый СКТ - самокомпенсация продольной и поперечной деформаций трубопровода от циклических изменений внутреннего давления, температуры и других воздействий.
С целью повышения эксплуатационной надежности трубопроводов различного назначения разработан ряд устройств для их испытаний в условиях, близких к эксплуатационным. В частности, известен стенд для испытания паропроводов в условиях сложно-напряженного состояния (авт.св. СССР 207450, опубл. 01.01.1968 г.), содержащий станину с установленными на ней нагружающим устройством и устройством для создания внутреннего давления. С целью нагружения образца растяжением-сжатием он снабжен двуплечим рычагом, который устанавливается на одном конце образца, жестко соединенного вторым концом со станиной. При этом свободные концы рычага соединены через шарниры с нагружающим устройством.
Недостатком данного стенда является низкая достоверность результатов испытания, невозможность применения установки для испытания СКТ на ресурс из-за возможной потери устойчивости образцов и другим причинам (отсутствие автоматизированных систем обеспечения циклического нагружения и систем измерения полей деформаций).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является установка для испытания труб и других подобных элементов строительных конструкций (авт.св. СССР 93378, опубл. 01.01.1952 г.) с применением гидравлических или иных домкратов для осуществления прилагаемой нагрузки, выполненная в виде установленной на фундаменте опоры рамы с неподвижной и подвижной вдоль рамы траверсами, снабженными отверстиями для пропуска и крепления в них испытуемых труб с закрепленными на их концах стаканами с заглушками для заполнения труб водой, растягиваемых или сжимаемых домкратами, установленными внутри или вне опорной рамы, в зависимости от характера испытания.
Недостатком данного устройства является низкая достоверность результатов испытания, невозможность применения установки для испытания СКТ на ресурс из-за возможной потери устойчивости образцов и другим причинам (отсутствие автоматизированных систем обеспечения циклического нагружения и систем измерения полей деформаций).
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности результатов испытаний СКТ на ресурс, а также возможность измерения циклических упругопластических деформаций.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Предлагается стенд для испытаний труб в условиях циклического перепада внутреннего давления с применением насосной станции, содержащий четыре или более стяжки, закрепленных на двух жестких плитах, опорный поворотный механизм, поддерживающий испытуемую трубу в горизонтальном положении и позволяющий производить ее вращение, внутреннюю трубу, две приварные эллиптические заглушки, переходный элемент с диаметра испытуемого образца на внутреннюю трубу, штуцер для подачи рабочей среды и манометр для измерения внутреннего давления.
На фигуре 1 изображен продольный разрез предлагаемого стенда.
Стенд снабжен четырьмя стяжками - 1, представляющими собой жесткие швеллеры или сплошные брусы прямоугольного или кругового сечения, двумя жесткими плитами - 2, зоной крепления - 3 (сварка, болтовое соединение, специальное соединение), опорным поворотным механизмом - 4, который поддерживает испытуемую трубу в горизонтальном положении и позволяет производить ее вращение для более эффективного заполнения и опорожнения рабочей средой, внутренней трубой - 5 для повышения жесткости и устойчивости (желательно бесшовной), двумя приварными эллиптическими донышками (заглушками) - 6 для обеспечения герметичности внутренней трубы, лепестковым (коническим или другим) переходным элементом - 8 с диаметра испытуемого образца - 7 на внутреннюю трубу, двумя штуцерами - 9 для подачи рабочей среды и двумя манометрами для измерения статического избыточного и циклического испытательного внутреннего давления. Насосная станция - 10 создает избыточное статическое внутреннее давление во внутренней трубе. Автоматизированная насосная станция - 11 создает испытательное циклическое внутреннее давление в пространстве между СКТ и внутренней трубой по заранее установленной программе эксперимента. Эта станция содержит устройство автоматического прекращения эксперимента в случае падения давления в системе из-за образовавшегося сквозного дефекта (момент потери ресурса). Циклические упругопластические деформации определяются методом тензометрии (или другим способом: оптически чувствительные, хрупкие покрытия, лазер и т.д.) в следующих потенциально опасных зонах СКТ: 12 - зона пересечения спирального шва трубы и кольцевого монтажного шва, 13 - зона пересечения монтажного шва с неровностями в месте смятия гофра, 14 - зона перехода от гофра к цилиндрической части конца трубы в месте частичного смятия гофра, 15 - зона эквидистантных гофров Г1 - 16 и Г2 - 17, разделенных спиральным технологическим швом СКТ.
Таким образом, технический эффект обеспечивается повышенной жесткостью конструкции стенда (стяжки, внутренняя труба, жесткие боковые плиты), наличием внутренней трубы под статическим давлением, предотвращающей потерю устойчивости испытуемого образца СКТ, применением автоматизированной насосной станции с устройством аварийного отключения и системы определения циклических упругопластических деформаций.
При испытаниях имитация жесткого защемления трубы осуществлялась как с помощью продольных стяжек 2, так и приваркой внутренней трубы 3. Нагружение СКТ осуществлялось циклическим подъемом давления в межтрубном пространстве с помощью автоматизированной насосной станции 11. Для предотвращения потери устойчивости образца СКТ внутреннюю трубу нагружали начальным давлением с таким расчетом, чтобы при нагружении СКТ давление в межтрубном пространстве не превышало давления в гладкой трубе. Это позволило избежать смятия внутренней трубы и сказалось на увеличении жесткости защемления концов СКТ, поскольку уменьшение разности давлений внутри и снаружи гладкой трубы вызвало в ней сжимающие усилия. Относительное удлинение СКТ в первом случае составило 0.08%, во втором - 0.01%.
Измерение деформаций СКТ проводилось тензометрическим методом с использованием проволочных датчиков В с базой 10 мм (30 шт.), цепочек малобазных фольговых тензодатчиков Б с базой 2 мм (100 шт.) и фольговых датчиков А с базой 1 мм (10 шт.), фигура 2. В зоне 12 устанавливаются датчики А в непосредственной близости от сварных швов и на усилении шва на участке пересечения швов. Замер деформаций в зоне 13 проводится цепочками фольговых тензодатчиков Б. В зоне 14 устанавливаются тензодатчики В и цепочка 2-миллиметровых датчиков Б. В зоне 15, где датчики наклеиваются поперек обоих гофров Г1 и Г2, и в околошовной зоне спирального шва для сравнения разрешающей способности тензодатчиков с различной базой измерения при определении деформаций в гофре СКТ была произведена оклейка гофра с одной стороны датчиками В, а с другой - датчиками Б.
Использование тензодатчиков с различной базой измерения позволяет определить общее деформированное состояние конструкции и получить соответствующую информацию в зонах концентрации. По результатам измерения определяли компоненты тензора деформаций.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Продольный разрез стенда.
Фиг.2 - Схема размещения тензодатчиков.