Установка для испытания трубного образца на термоусталость

Полезная модель относится к области испытательной техники, а именно к установкам для испытания трубного образца на термоусталость, и может быть использована для проведения механических испытаний труб и трубных соединений в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.
В процессе эксплуатации трубопроводов большого диаметра (>50 мм) различного назначения они подвергаются действию сложных комплексных нагрузок. Это может быть воздействие внутреннего давления протекающего по трубопроводу газа или жидкости, воздействие внешних растягивающих и сжимающих нагрузок, воздействие нагрузок, возникающих при термическом расширении или сжатии в результате нагрева и/или охлаждения труб, воздействие изгибающих нагрузок, возникающих от действия внешних связей или в результате деформации длинных отрезков труб, а также комплексное воздействие перечисленных факторов.
Известна установка для испытания трубного образца, содержащая основание с размещенными на нем захватами для крепления испытуемого образца, средство осевого нагружения, тензометрический узел, средство нагрева образца и рабочее тело, размещенное в полости образца (RU 2187794, 2002). В известном техническом решении захваты выполнены в виде разъемной матрицы, средство осевого нагружения выполнено в виде нажимного пуансона, предназначенного для взаимодействия с рабочим телом, выполненным в виде термостойкого неэлектропроводного материала, а средство нагрева выполнено в виде трансформатора. Образец в процессе испытания нагревают и нагружают внутренним давлением путем воздействия пуансона на рабочее тело. Существенным недостатком известного технического решения являются ограниченные технические возможности, связанные с невозможностью проведения испытания образца на термоусталость путем его термоциклирования в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.
Известен стенд для испытания трубного образца, содержащий траверсы с размещенными на них захватами для крепления испытуемого образца, герметизирующие заглушки, предназначенные для крепления на фланцах испытуемого образца, тензометрический узел, средство нагружения образца механической нагрузкой и рабочее тело, размещенное в полости образца (RU 2222800, 2004). В известном техническом решении осуществляют испытание образца в условиях малоциклового нагружения за счет нагружения переменным изгибом и одновременного создания переменного внутреннего давления.
Известна установка для испытания трубного образца, содержащая опоры для крепления испытуемого образца, тензометрический узел, средство нагружения образца механической нагрузкой, устройство для термоциклирования образца и рабочее тело, размещенное в полости образца (RU 2265815, 2005). В известном техническом решении образец нагружают изгибающей нагрузкой, в качестве тензометрического узла используют фиксаторы изгиба, устройство для термоциклирования выполнено в виде ванны с водой, а в качестве рабочего тела используют газ. В процессе испытания образец нагружают внутренним давлением и проводят термоциклирование, которое осуществляют путем выдержки в ванне, температуру воды в которой циклически изменяют от 16°С до 95°С и обратно, что сопровождается колебанием давления во внутренней полости образца и приводит к циклическим колебаниям осевых, тангенциальных и радиальных напряжений.
Общим существенным недостатком известных технических решений (RU 2222800, RU 2265815) являются ограниченные технические возможности, связанные с невозможностью проведения испытаний в условиях сложного напряженно-деформированного состояния при регулировании скорости нагрева и охлаждения образца.
Известна установка для испытания трубного образца на термоусталость, содержащая траверсы с размещенными на них захватами для крепления испытуемого образца, средство осевого нагружения образца, устройство для термоциклирования образца, включающее средства нагрева и охлаждения образца (CN 108562505, 2018). Известное техническое решение обеспечивает возможность проведения испытания образца на термоусталость в условиях сложного напряженно-деформированного состояния при регулировании скорости нагрева и охлаждения образца. Однако, его существенным недостатком являются ограниченные технические возможности, связанные с невозможностью испытания трубного образца при одновременном нагружении образца внутренним давлением в процессе испытаний.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является установка для испытания трубного образца на термоусталость, содержащая траверсы с размещенными на них захватами для крепления испытуемого образца и тензометрическим узлом на одной из траверс, средство осевого нагружения образца, устройство для термоциклирования образца, выполненное в виде предназначенного для концентричного размещения внутри образца нагревательного элемента, рабочее тело, размещенное в образованном между внутренней поверхностью образца и внешней поверхностью нагревательного элемента зазоре, и источник охлаждающей среды (RU 186813, 2019). В известном техническом решении в качестве рабочего тела используют слой медной фольги для обеспечения равномерного нагрева между нагревательным элементом и стенками образца. Для предотвращения нагрева элементов установки и потери тепла устанавливают фторопластовые прокладки, а в качестве источника охлаждающей среды используют вентилятор, установленный с внешней стороны испытуемого образца. Известное техническое решение обеспечивает возможность испытания образцов в условиях сложного напряженно-деформированного состояния при циклическом нагреве и охлаждении. Существенным недостатком известного технического решения является невозможность проведения испытания образца на термоусталость при одновременном нагружении образца внутренним давлением в процессе испытания.
Техническая проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании установки, обеспечивающей возможность испытания образца на термоусталость в условиях сложного напряженно-деформированного состояния путем регулирования скорости нагрева и охлаждения при одновременном нагружении образца внутренним давлением.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании установки для испытания трубного образца на термоусталость в условиях сложного напряженно-деформированного состояния путем регулирования скорости нагрева и охлаждения при одновременном нагружении образца внутренним давлением.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в установке для испытания трубного образца на термоусталость, содержащей траверсы с размещенными на них захватами для крепления испытуемого образца и тензометрическим узлом на одной из траверс, средство осевого нагружения образца, устройство для термоциклирования образца, выполненное в виде предназначенного для концентричного размещения внутри образца нагревательного элемента, рабочее тело, размещенное в образованном между внутренней поверхностью образца и внешней поверхностью нагревательного элемента зазоре, и источник охлаждающей среды, захваты выполнены в виде герметизирующих заглушек, предназначенных для крепления на фланцах испытуемого образца, средство осевого нагружения образца выполнено в виде по меньшей мере двух симметрично расположенных гидроцилиндров, шарнирно связанных с одной из траверс, а штоки гидроцилиндров шарнирно связаны с другой траверсой, нагревательный элемент выполнен трубчатым, внутренняя полость которого сообщена с источником охлаждающей среды, рабочее тело представляет собой жидкость, а установка снабжена средством подачи рабочего тела в зазор, выполненным в виде установленного в одной из заглушек клапана, при этом величина зазора определяется из соотношения:
где:
k
ε - коэффициент конвекции;
ν - кинематический коэффициент вязкости охлаждающей среды;
β - температурный коэффициент объемного расширения охлаждающей среды;
r
P - число Прандтля;
g - ускорение свободного падения;
Δt- разность температур охлаждающей среды и нагревательного элемента.
Существенность отличительных признаков установки для испытания трубного образца на термоусталость подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая полезную модель, достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата, а именно:
- выполнение захватов в виде герметизирующих заглушек, предназначенных для крепления на фланцах испытуемого образца, использование в качестве рабочего тела жидкости, снабжение установки средством подачи рабочего тела в зазор, выполненным в виде установленного в одной из заглушек клапана, и определение величины зазора из указанного выше соотношения обеспечивает возможность испытания трубного образца при нагружении последнего внутренним давлением;
- выполнение средства осевого нагружения образца в виде по меньшей мере двух симметрично расположенных гидроцилиндров, шарнирно связанных с одной из траверс, при том, что штоки гидроцилиндров шарнирно связаны с другой траверсой, обеспечивает возможность испытания образца в условиях сложного напряженно-деформированного состояния при совместном нагружении осевым растяжением/сжатием и изгибом;
- выполнение нагревательного элемента трубчатым, внутренняя полость которого сообщена с источником охлаждающей среды, обеспечивает возможность испытания образца на термоусталость путем регулирования скорости нагрева и охлаждения.
Таким образом, положительный эффект, обеспечиваемый каждым из существенных признаков полезной модели, в совокупности позволяет реализовать установку для испытания трубного образца на термоусталость в условиях сложного напряженно-деформированного состояния путем регулирования скорости нагрева и охлаждения при одновременном нагружении образца внутренним давлением.
Настоящая установка для испытания трубного образца на термоусталость поясняется фигурой, где изображена схема установки.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1, 2 - траверсы;
3, 4 - герметизирующие заглушки;
5, 6 - фланцы трубного образца;
7 - трубный образец;
8 - тензометрический узел;
9 - гидроцилиндры;
10 - шток гидроцилиндра 9;
11 - сферическая опорная поверхность штока 10;
12 - коническая шайба;
13 - гайка;
14 - сферическая шайба;
15 - коническая шайба;
16 - донная часть гидроцилиндра 9;
17 - стакан;
18 - гайка;
19 - цапфа гидроцилиндра 9;
20 - сферическая шайба;
21 - шлицевая гайка;
22 - трубчатый нагревательный элемент;
23 - зазор;
24 - шины;
25 - внутренняя полость нагревательного элемента 22;
26, 27 - штуцеры;
28 - клапан;
29 - герметизирующая прокладка;
30 - болты;
31 - герметизирующая прокладка;
32 - болты;
33 - конец нагревательного элемента 22;
34 - прокладка.
Установка для испытания трубного образца на термоусталость содержит траверсы 1 и 2 с размещенными на них захватами, выполненными в виде соответствующих герметизирующих заглушек 3 и 4, предназначенных для крепления на соответствующих фланцах 5 и 6 испытуемого трубного образца 7, и тензометрический узел 8, размещенный на траверсе 1. Установка содержит средство осевого нагружения образца 7, устройство для термоциклирования образца 7, рабочее тело (на фигуре не показано) и источник (на фигуре не показан) охлаждающей среды. Средство осевого нагружения выполнено в виде по меньшей мере двух симметрично расположенных гидроцилиндров 9. Шток 10 каждого из гидроцилиндров 9 шарнирно связан с траверсой 1 следующим образом: шток 10 содержит сферическую поверхность 11, опирающуюся на коническую шайбу 12, которая в свою очередь упирается в траверсу 1, и закреплен на последней при помощи гайки 13, которая также опирается на траверсу 1 через сферическую шайбу 14 и коническую шайбу 15. Гидроцилиндры 9 через их донные части шарнирно связаны с траверсой 2. Донная часть 16 каждого из гидроцилиндров 9 содержит сферическую поверхность, которая опирается на наружную коническую поверхность стакана 17, закрепленного на траверсе 2 при помощи гайки 18. При этом цапфа 19 гидроцилиндра 9 размещена в стакане 17 и опирается на внутреннюю цилиндрическую поверхность стакана 17 через сферическую шайбу 20. Цапфа 19 закреплена в стакане 17 при помощи шлицевой гайки 21. Устройство для термоциклирования образца 7 представляет собой трубчатый нагревательный элемент 22, выполненный из металла с высоким электросопротивлением и предназначенный для концентричного размещения внутри образца 7 с образованием зазора 23 между внутренней поверхностью образца 7 и внешней поверхностью нагревательного элемента 22. Последний связан при помощи соответствующих шин 24 с источником (на фигуре не показан) нагрева. Внутренняя полость 25 нагревательного элемента 22 при помощи соответствующих штуцеров 26 и 27, размещенных в торцах нагревательного элемента 22, сообщена с источником охлаждающей среды. Установка снабжена средством подачи рабочего тела в виде жидкости в зазор 23. Средство подачи рабочего тела выполнено в виде установленного в заглушке 4 клапана 28, который сообщен с источником (на фигуре не показан) высокого давления. При этом зазор 23 между внутренней поверхностью образца 7 и внешней поверхностью нагревательного элемента 22 определяется из соотношения:
Установка работает следующим образом.
Предварительно во внутренней полости образца 7 концентрично размещают нагревательный элемент 22 таким образом, что между внутренней поверхностью образца 7 и внешней поверхностью нагревательного элемента 22 образуется зазор 23 заданной величины. Один конец нагревательного элемента 22 жестко связывают с фланцем 5 образца 7. Затем через герметизирующую прокладку 29 при помощи болтов 30 связывают заглушку 3 с фланцем 5 образца 7, а через герметизирующую прокладку 31 при помощи болтов 32 заглушку 4 связывают с фланцем 6 образца 7. При этом конец 33 нагревательного элемента 22, противоположный концу, жестко связанному с фланцем 5, через прокладку 34 размещают в заглушке 4 с возможностью осевого перемещения нагревательного элемента 22 при его нагреве относительно прокладки 34. Прокладки 29, 31 и 34 выполняют из электроизолирующего материала. Закрепляют герметизирующие заглушки 3 и 4 образца 7 на траверсах 1 и 2 и от источника высокого давления через клапан 28 в заглушке 4 заполняют зазор 23 рабочим телом (жидкостью) и доводят давление до минимального в цикле. На шины 24 нагревательного элемента 22 подают ток, контролируют температуру образца 7 в процессе его нагрева и при этом нагружают образец 7 внутренним давлением жидкости через клапан 28. Малый объем жидкости позволяет регулировать цикличность нагружения путем изменения давления жидкости в зазоре 23 и одновременно осуществлять равномерный нагрев и передачу тепла от нагревательного элемента 22 к образцу 7. При нагреве происходит независимое перемещение конца 33 нагревательного элемента 22 относительно прокладки 34, что исключает деформирование нагревательного элемента 22. Одновременно при помощи гидроцилиндров 9 осуществляют нагружение образца 7 путем приложения различных по величине нагрузок (растяжение/сжатие и изгиб) к траверсам 1 и 2, за счет чего устанавливают заданный уровень напряжений и величину изгиба образца 7. При этом шарнирные соединения элементов и гидроцилиндров 9 с соответствующими траверсами 1 и 2 обеспечивают самоустановку гидроцилиндров 9 относительно траверс 1 и 2 при нагружении образца 7 осевой и изгибающей нагрузкой, компенсируя возможные деформации установки. При достижении заданной температуры выдерживают образец 7 в течение определенного времени и прекращают его нагрев. В полость 25 нагревательного элемента 22 подают охлаждающую среду (жидкость или газ), одновременно с изменением температуры уменьшают давление в зазоре 23, причем в этом случае размещенная в зазоре 23 жидкость обеспечивает охлаждение образца 7, и разгружают образец 7 от осевых и изгибающих нагрузок при помощи перемещения траверс 1 и 2 гидроцилиндрами 9. После охлаждения образца 7 цикл повторяется. Испытания осуществляют до образования течи из зазора 23 или падения давления в нем.
Установка для испытания обеспечивает высокую скорость нагрева и охлаждения трубного образца и позволяет проводить испытания трубного образца на термоусталость в условиях сложного напряженно-деформированного состояния при одновременном нагружении образца внутренним давлением.