СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТРУБ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ И НА ИЗГИБ
TEST BENCH WITH INTERNAL PRESSURE AND BENDING FOR PIPES

Изобретение относится к испытательной технике и касается создания стенда для испытаний стальных труб магистральных нефтепроводов на статическую и малоцикловую прочность при совместном нагружении внутренним давлением и изгибающим моментом, действующими в условиях реальной эксплуатации магистральных нефтепроводов при подъемах и сбросах давления перекачиваемой нефти, подвижках грунта, температурных перепадах в пределах климатических условий, подъеме трубопровода при капитальном ремонте и т.д.
Известна установка для испытания сварных соединений трубчатых образцов, позволяющая нагружать испытуемые образцы внутренним давлением и чистым изгибом. Указанная установка содержит устройство нагружения двух трубчатых образцов изгибом и гидравлическую систему, причем устройство нагружения имеет в своем составе силовую плиту (станину) с опорами, гидроцилиндры (гидропрессы), тяги (опорные колонны), опорные и нагрузочные траверсы с профилированными ложементами (бугелями), контактирующими с испытываемыми трубами, кривизна контактных поверхностей которых аналогична кривизне поверхности испытываемых труб. См. См. Авторское свидетельство СССР №170720, «Установка для испытания сварных соединений трубчатых образцов», МПК G01L, от 17.11.1964, опубликованное 23.04.1965.
Моделирование чистого изгиба труб с помощью этого устройства, конструктивно выполненного таким образом, что опорные колонны и два испытываемых образца образуют замкнутую шарнирную раму, осуществляется с использованием реактивных усилий, возникающих при нагружении с помощью гидропрессов одного образца, для нагружения через опорные колонны второго образца.
В связи с этим недостатком данного устройства является чрезмерная громоздкость его конструкции при испытаниях труб магистральных нефтепроводов больших диаметров.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, взятым заявителем в качестве прототипа, является стенд для испытаний труб внутренним давлением и на изгиб, содержащий основание в виде силовой плиты с Т-образными продольными пазами, опорные узлы для трубы с нижними опорными хомутами для опоры трубы, узлы нагружения испытуемой трубы изгибом (порталы) с гидроцилиндрами нагружения, с нагрузочной траверсой с верхними нагружающими хомутами (профилированными ложементами) для труб, установленные с возможностью перемещения в Т-образных пазах вдоль трубы, при этом гидроцилиндры шарнирно связаны с нагрузочной траверсой, а проушины гидроцилиндров снабжены сферическими шарнирами, систему управления узлами нагружения испытываемой трубы изгибом, гидравлическую систему стенда, измерительно-вычислительный комплекс, систему управления узлами нагружения испытываемой трубы изгибом, гидравлическую систему стенда, измерительно-вычислительный комплекс. При этом узлы нагружения испытуемой трубы изгибом содержат также плиту с опорами и тяги. Гидроцилиндры связаны с плитой сферическими шарнирами и при помощи тяг шарнирно связаны с нагрузочными траверсами, а опоры соединены с опорными траверсами посредством упругих тяг для обеспечения беспрепятственного изгиба испытываемой трубы в процессе ее нагружения внутренним давлением и изгибающим моментом. См. Патент РФ №2222800, «Стенд для испытания труб внутренним давлением и на изгиб и гидравлическая система стенда», МПК G01N 3/10, G01N 3/36, от 11.07.2002, опубликованное 27.01.2004.
Недостатком данного стенда является сложность его использования для испытания труб большого диаметра. Это обусловлено тем, что в данной конструкции стенда не предусмотрены приводы для перемещения узлов нагружения (порталов) испытуемой трубы изгибом, что затрудняет их перемещение вручную, когда испытываются трубы большого диаметра, и соответственно, увеличивается вес подвижных узлов и деталей стенда.
Кроме того, в данной конструкции не предусмотрена возможность фиксации узлов нагружения испытуемой трубы (порталов) на позиции испытаний или в другом положении, что дополнительно затрудняет проведение испытаний.
Недостатком конструкции прототипа являются большие боковые (радиальные) усилия, снижающие ресурс работы. Это обусловлено отсутствием необходимого количества опор, позволяющих следовать конструкции узла нагружения (портала) и конструкции нижнего опорного хомута за трубой по форме нагружения, когда труба поднимается и изгибается, чтобы обеспечить проведение испытаний.
Кроме того, для удержания больших весов нагружающих устройств в данной конструкции отсутствует жесткая рама портала, что также затрудняет проведение испытаний.
Недостатком данного стенда является также большое время подготовки стенда к работе, обусловленное необходимостью монтажа силовых элементов перед испытанием труб, а именно: на силовой плите расставляют и закрепляют болтами опоры с опорными траверсами и симметрично относительно опорных траверс на расстоянии, обеспечивающем нагружение испытываемой трубы заданным изгибающим моментом, две пары гидроцилиндров. Трубный образец опирают торцами державок и на профилированные ложементы опорных траверс. На эти же державки устанавливают профилированными ложементами нагрузочные траверсы, которые через тяги винтовыми соединениями прикрепляют к штокам гидроцилиндров.
Таким образом, недостатком стенда являются его недостаточно широкие функциональные возможности, недостаточно высокий ресурс работы и большое время подготовки стенда к проведению испытаний.
Технической задачей изобретения является повышение функциональных возможностей и ресурса стенда и уменьшение времени подготовки стенда к работе.
Для достижения поставленной задачи в известном стенде для испытаний труб внутренним давлением и на изгиб, содержащем основание в виде силовой плиты с Т-образными продольными пазами, опорные узлы для трубы с нижними опорными хомутами для опоры трубы, узлы нагружения испытуемой трубы изгибом (порталы) с гидроцилиндрами нагружения, с нагрузочной траверсой с верхними нагружающими хомутами (профилированными ложементами) для труб, установленные с возможностью перемещения в Т-образных пазах вдоль трубы, при этом гидроцилиндры шарнирно связаны с нагрузочной траверсой, а проушины гидроцилиндров снабжены сферическими шарнирами, систему управления узлами нагружения испытываемой трубы изгибом, гидравлическую систему стенда, измерительно-вычислительный комплекс, согласно изобретению узлы нагружения испытуемой трубы изгибом выполнены в виде двух порталов рамной конструкции, расположенных на четырех колесных узлах, снабженных приводами, непосредственно на портале установлены два гидроцилиндра нагружения, опорная конструкция гидроцилиндров портала имеет два шарнира (карданный подвес), обеспечивающих свободу вращения гидроцилиндра нагружения в двух плоскостях, на проушинах гидроцилиндров нагружения, снабженных сферическими шарнирами, подвешен верхний нагружающий хомут (профилированный ложемент) для труб для передачи усилия от гидроцилиндров нагружения на испытываемую трубу, для ограничения угла поворота верхнего нагружающего хомута и установки его вертикального положения предусмотрен привод, фиксирующий верхний нагружающий хомут относительно проушин гидроцилиндра нагружения, порталы оснащены механизмом подъема и фиксации портала на позиции испытаний или в другом положении, при этом нижние опорные хомуты для опоры трубы шарнирно установлены на опорных узлах, при этом порталы и опорные узлы для нижних опорных хомутов установлены с возможностью перемещения по рельсам, установленным на силовые плиты с Т-образными пазами.
В других вариантах исполнения стенд имеет следующие признаки.
Согласно изобретению механизм подъема и фиксации портала на позиции испытаний или в другом положении выполнен в виде четырех электромеханических домкратов с приводами, позволяющих вывешивать портал на опорах, обеспечивая контакт восьми Т-образных вкладышей, установленных в Т-образных пазах монтажных плит, с Т-образными пазами монтажных плит, и фиксировать его положение.
Согласно изобретению привод верхнего нагружающего хомута выполнен в виде винтового домкрата с опорой.
Согласно изобретению привод колесных узлов портала выполнен в виде гидромоторов и двухступенчатых цилиндрических редукторов, при этом направление портала по рельсам обеспечивают направляющие ролики, установленные на Т-образных вкладышах, направляющие ролики находятся в контакте с боковыми гранями Т-образных пазов монтажных плит и препятствуют смещению портала с оси движения..
Согласно изобретению стенд снабжен домкратными тележками с рычагами подъемника (с приводом от гидроцилиндра) для установки и снятия нижнего хомута с трубы.
Согласно изобретению стенд снабжен заменяемыми вставками для верхнего нагружающего и нижнего опорного хомутов для разных диаметров труб.
Выполнение узлов нагружения испытуемой трубы изгибом в виде двух порталов рамной конструкции, расположенных на четырех колесных узлах, снабженных приводами, во-первых, за счет жесткости рамной конструкции портала обеспечивает удержание больших весов нагружающих устройств в данной конструкции, что облегчает проведение испытаний, во вторых, наличие приводов порталов обеспечивает механическое перемещение узлов нагружения (порталов) испытуемой трубы изгибом, что исключает необходимость их перемещения вручную, что особенно важно, когда испытываются трубы большого диаметра и значительно увеличивается вес перемещаемых узлов.
Установка непосредственно на портале двух гидроцилиндров нагружения, опорная конструкция которых имеет два шарнира (карданный подвес), обеспечивает свободу вращения гидроцилиндров нагружения в двух плоскостях, что значительно сокращает боковые усилия на гидроцилиндры при проведении испытаний и обеспечивает следование за трубой по форме нагружения в процессе испытаний, когда труба изгибается.
Подвешивание на проушинах гидроцилиндров нагружения, снабженных сферическими шарнирами, верхнего нагружающего хомута (профилированного ложемента) для труб для передачи усилия от гидроцилиндров нагружения на испытываемую трубу, снабженного приводом для ограничения угла поворота верхнего нагружающего хомута и установки его вертикального положения и фиксирующего верхний нагружающий хомут относительно проушин гидроцилиндра нагружения, также способствует следованию за трубой по форме нагружения в процессе испытаний, что обеспечивает снижение боковых (радиальных) усилий на штоки гидроцилиндров и увеличивает ресурс стенда.
Оснащение порталов механизмами подъема и фиксации на позиции испытаний или в другом положении обеспечивает проведение испытаний тяжелых труб большого диаметра.
Установка нижних опорных хомутов для опоры трубы шарнирно на опорных узлах, позволяет следовать за трубой по форме нагружения и обеспечивает проведение испытаний тяжелых труб большого диаметра, что увеличивает ресурс стенда.
Все это обеспечивает проведение испытаний тяжелых труб большого диаметра, что расширяет функциональные возможности стенда, одновременно достигается увеличение ресурса стенда и уменьшение времени подготовки стенда к работе за счет исключения необходимости монтажа силовых элементов перед испытанием труб (для снятия и установки трубы порталы выводятся за пределы трубы) и наличия приводов.
Выполнение механизма фиксации портала на позиции испытаний или в другом положении в виде четырех электромеханических домкратов с приводами позволяет вывешивать портал на опорах, обеспечивая контакт восьми Т-образных вкладышей, установленных в Т-образных пазах монтажных плит, с Т-образными пазами монтажных плит, и фиксировать его положение. При испытании трубы, возникающие силы стремятся поднять портал. Силовое замыкание портала на фундамент обеспечивают восемь Т-образных вкладышей, установленных в Т-образных пазах монтажных плит. При движении портала, по всем поверхностям Т-образных вкладышей обеспечен зазор. Для фиксации портала в любом произвольном положении предусмотрены четыре электромеханических домкрата, позволяющих вывешивать портал на опорах, обеспечивая контакт Т-образных вкладышей с Т-образными пазами монтажных плит. Высота подъема портала составляет 5 мм.
Сущность изобретения поясняется изображениями в аксонометрии, где на фиг. 1 изображен предлагаемый стенд в исходном состоянии перед испытанием трубы в изометрии, на фиг. 2 - изображен предлагаемый стенд непосредственно перед началом испытаний, на фиг. 3-общий вид портала, на фиг. 4 - общий вид портала при подъеме верхнего хомута портала над трубой, на фиг. 5 - общий вид привода фиксации верхнего нагружающего хомута, на фиг. 6 - общий вид механизма подъема портала, на фиг. 7 - общий вид домкратной тележки для установки и снятия нижнего опорного хомута с деформированной трубы.
Трубный образец состоит из испытываемой трубы 1, соединенной при помощи сварки с двумя цилиндрическими заглушками 2 и 3, состоящими из эллиптических днищ 4, 5 и проставок 6, 7, соединенных кольцевым сварным швом с подваркой изнутри, и предназначенных для герметизации трубы 1. В одну из проставок 6, 7 вварены штуцеры, оснащенные запорной аппаратурой, (штуцеры и запорная аппаратура на чертеже не показаны) для заполнения трубного образца водой и выпуска воздуха. Размеры и концевой профиль заглушек 2 и 3 определяют из условия минимизации эффекта концентрации напряжений. Для облегчения операций строповки при установке и снятии трубного образца со стенда на заглушках 2, 3 предусмотрены грузовые цапфы 8, 9. Стенд для испытаний труб 1 внутренним давлением и на изгиб содержит основание в виде силовых плит 10 с Т-образными продольными пазами 11, 12, опорные узлы 13, 14 для трубы 1 с нижними опорными хомутами 15, 16 для опоры трубы 1, установленные с возможностью перемещения вдоль трубы 1 по рельсам 17, при этом нижние опорные хомуты 15, 16 для опоры трубы 1 установлены на опорных узлах 13, 14 посредством сферических шарниров 18, 19 и снабжены тормозами (тормоза на чертеже не показаны), фиксирующими положение опорных узлов 13, 14. Стенд содержит узлы нагружения испытуемой трубы 1 изгибом, выполненные в виде двух порталов 20, 21, рамной конструкции, установленные с возможностью перемещения в Т-образных пазах 11, 12, с гидроцилиндрами 22, 23, 24, 25 нагружения, установленных на раме 26, 27 портала 20, 21, с верхними нагружающими хомутами 28, 29 (профилированными ложементами) для труб 1. При этом гидроцилиндры 22, 23, 24, 25 нагружения установлены непосредственно на портале 20, 21 и оснащены датчиками силы, датчиками положения, датчиками продольного и поперечного крена (указанные датчики на чертеже не показаны). Опорная конструкция 30, 31 гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 имеет два шарнира 32, 33 и 34, 35 (карданный подвес), обеспечивающих свободу вращения гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 нагружения в двух плоскостях. На проушинах 36, 37 гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 нагружения, снабженных сферическими шарнирами 38, 39 подвешен верхний нагружающий хомут 28, 29 для труб для передачи усилия от гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 нагружения на испытываемую трубу 1. При необходимости верхние нагружающие хомуты 28, 29 для труб 1 могут быть выполнены из двух частей. Для ограничения угла поворота верхнего нагружающего хомута 28, 29 и установки его вертикального положения предусмотрен привод 40, фиксирующий верхний нагружающий хомут 28, 29 относительно проушин 36, 37 гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 нагружения. Порталы 20, 21 оснащены механизмом 41 подъема и фиксации порталов 20, 21 на позиции испытаний или в другом положении. При этом порталы 20, 21 расположены на четырех колесных узлах 42, 43, снабженных приводами 44, 45.
В частном случае исполнения верхний нагружающий хомут 28, 29 может состоять из двух частей (хомут из двух частей на чертеже не показан) для обеспечения более плавного следования за трубой 1 по форме нагружения при проведении испытаний.
Механизм 41 подъема и фиксации портала 20, 21 на позиции испытаний или в другом положении выполнен в виде четырех электромеханических домкратов 46 с приводами 47, позволяющих вывешивать портал 20, 21 на опорах - силовых плитах 10, обеспечивая контакт восьми Т-образных вкладышей 48, установленных в Т-образных пазах 11 силовых плит 10, с Т-образными пазами 11 силовых плит 10, и фиксировать его положение.
Привод 40 верхнего нагружающего хомута 28, 29 выполнен в виде винтового домкрата 49 с опорой 50.
Привод 44, 45 колесных узлов 42, 43 портала 20, 21 выполнен в виде гидромоторов 51, 52 и двухступенчатых цилиндрических редукторов 53, 54, при этом направление портала 20, 21 по рельсам 55, 56 обеспечивают направляющие ролики 57, 58, установленные на Т-образных вкладышах 48. Направляющие ролики 57, 58, находятся в контакте с боковыми гранями Т-образных пазов 11 силовых плит 10 и препятствуют смещению портала 20, 21 с оси движения.
Стенд снабжен домкратными тележками 60 с с рычагами подъемника 61 для установки и снятия нижнего хомута 62, 63 с трубы 1.
Стенд снабжен заменяемыми вставками 64 для верхнего нагружающего хомута 28, 29 и нижнего опорного хомута 15, 16 для разных диаметров труб 1.
Для облегчения позиционирования и увеличения точности к проставкам 6, 7 трубных образцов приварены упоры 65, 66.
Силовые плиты 10 жестко связаны с силовым фундаментом 67 стенда, воспринимающим все, возникающие при испытаниях, силы.
Вспомогательные приводы - механизм 41 подъема и фиксации портала 20, 21, привод 40 верхнего нагружающего хомута 28, 29 могут быть выполнены гидравлическими (на чертеже такое исполнение не показано), а привод 44,45 колесных узлов 42, 43 портала 20, 21 может быть выполнен электрическим.
Опорные узлы 13, 14 для трубы 1 могут быть снабжены отдельными приводами (такое исполнение на чертеже не показано).
Стенд содержит систему управления узлами нагружения испытываемой трубы 1 изгибом, гидравлическую систему стенда, измерительно-вычислительный комплекс (указанные позиции на чертеже не показаны).
Стенд для испытаний труб внутренним давлением и на изгиб работает следующим образом.
Перед началом испытаний порталы 20, 21 стенда отводят в положение, не препятствующее установке трубного образца на опорные узлы 13, 14 для трубы с нижними опорными хомутами 15, 16. Положение опорных узлов 13, 14 перед установкой трубы 1 должно соответствовать длине трубного образца.
После установки трубного образца на опорные узлы 13, 14 порталы 20, 21 сводятся. Положение порталов 20, 21 перед началом испытаний должно соответствовать позиции, обеспечивающей требуемую длину плеча при изгибе. Изменяемая длина плеча при изгибе позволяет наиболее точно воспроизвести необходимый закон нагружения трубы 1. Длина плеча автоматически измеряется датчиком положения (датчик положения на чертеже не показан) и передается в компьютер (компьютер на чертеже не показан) для расчета момента изгиба. Упоры 65, 66 для облегчения позиционирования и увеличения точности, приваренные к проставкам 6, 7 трубных образцов однозначно определят положение нижних опорных 15, 16 и верхних нагружающих хомутов 28, 29 при установке натурного образца трубы 1 на стенд.
Два колесных узла 42, 43 портала 20, 21 имеют привод 44, 45, обеспечивающий движение портала по рельсам 55, 56 стенда. Привод колесных узлов 42, 43 осуществляется гидромоторами 51, 52 через двухступенчатые цилиндрические редукторы 53, 54. Направление портала 20, 21 по рельсам 55, 56 обеспечивают направляющие ролики 57, 58, установленные на Т-образных вкладышах 48. Направляющие ролики 57, 58, находятся в контакте с боковыми гранями Т-образных пазов 11 силовых плит 10 и препятствуют смещению портала 20, 21 с оси движения.
Свободное прохождение портала 20, 21, над трубой 1 обеспечивается благодаря подъему верхнего нагружающего хомута 28, 29 портала 20, 21. Подъем портала 20, 21 осуществляется с помощью механизма 41 подъема и фиксации портала 20, 21, выполненного в виде четырех электромеханических домкратов 46 с приводами 47. Механизм 41 подъема и фиксации портала 20, 21 позволяет вывешивать портал 20, 21 на опорах - силовых плитах 10, обеспечивая контакт восьми Т-образных вкладышей 48, установленных в Т-образных пазах 11 силовых плит 10, с Т-образными пазами 11 силовых плит 10, и фиксировать его положение.
При испытании трубы 1, возникающие силы стремятся поднять портал 20, 21. Силовое замыкание портала 20, 21 на фундамент 65 обеспечивают восемь Т-образных вкладышей 48, установленных в Т-образных пазах 11 силовых плит 10. При движении портала 20, 21 по всем поверхностям Т-образных вкладышей 48 обеспечен зазор.
Центр тяжести верхнего нагружающего хомута 28, 29 портала 20, 21 находится выше оси вращения, вследствие чего он стремится перевернуться. Для ограничения угла поворота верхнего нагружающего хомута 28, 29 и установки его вертикального положения предусмотрен привод 40, выполненный в виде винтового домкрата 49 с опорой 50. Привод 40 фиксирует верхний нагружающий хомут 28, 29 относительно проушин 36, 37 гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 нагружения. При испытаниях трубы 1 (после контакта хомута 28, 29 и трубы 1) хомут 28, 29 должен быть освобожден, при поднятом хомуте 28, 29 он должен быть зафиксирован. При проведении испытаний верхний нагружающий хомут 28, 29 передает усилие от гидроцилиндра 22, 23, 24, 25 на испытываемую трубу 1.
Опорная конструкция 30, 31 гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 портала 20, 21, имеющая два шарнира 32, 33 и 34, 35 (карданный подвес), обеспечивает свободу вращения гидроцилиндра 22, 23, 24, 25 в двух плоскостях. Применение карданного подвеса позволяет обеспечить необходимую кинематику нагружающего узла в процессе испытаний. Кроме того, возможность поворота гидроцилиндра 22, 23, 24, 25 в плоскости, перпендикулярной плоскости трубы 1, позволяет значительно снизить изгибающую силу, возникающую при деформации верхнего нагружающего хомута 28, 29 и опорных конструкций 30, 31, и боковую нагрузку на штоки гидроцилиндров 22, 23, 24, 25. Амплитуда колебаний гидроцилиндров 22, 23, 24, 25 в плоскости трубы 1 и перпендикулярно к ней не превышает 2°…3° и контролируется установленными на гидроцилиндрах датчиками крена (датчики крена на чертеже не показаны).
Свободное перемещение опорных узлов 13, 14 в процессе нагружения позволяет разгрузить элементы стенда и испытываемую трубу 1 от действия паразитических продольных нагрузок.
Для перемещения опорных узлов 13, 14 в новое положение необходимо зафиксировать опорные узлы 13, 14 относительно портала 20, 21 стенда и, перемещая портал 20, 21, установить опорные узлы 13, 14 в требуемое положение за счет привода 44, 45 портала 20, 21. При необходимости коррекции положения опорных узлов 13, 14, возможно их двигать с помощью силы человека. Для предотвращения смещения опорных узлов 13, 14 с установленной позиции при операциях установки и снятия трубы 1 в конструкци опорных узлов 13, 14 предусмотрены тормоза, выполненные в виде распорных гидроцилиндров (тормоза на чертеже не показаны).
Таким образом, результатом применения изобретения является возможность его использования для испытания труб большого диаметра и соответственно большого веса за счет механизирования монтажных работ на стенде испытания труб, а также повышение ресурса стенда и уменьшение времени подготовки стенда к работе.