УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ И ПРОВЕРКИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ГЛУБОКОВОДНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ГЛУБИНАХ ДО 11,5 КМ, ВНЕШНИМ ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ
DEVICE FOR PERFORMANCE OF STRENGTH TESTS AND TIGHTNESS TESTING OF DEEP-WATER TECHNICAL FACILITY INTENDED FOR OPERATION AT DEPTHS OF UP TO 11_5 KM, EXTERNAL HYDROSTATIC PRESSURE

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к средствам для проведения испытаний технических объектов внешним гидростатическим давлением для определения их физических параметров, и может быть использовано в областях техники, где используются объекты, работающие или эксплуатирующиеся при воздействии высокого внешнего гидростатического давления, например, подводные технические средства, преимущественно глубоководные аппараты.
Известно устройство для проведения прочностных испытаний и проверки герметичности глубоководного технического объекта, предназначенного для эксплуатации на глубинах до 11,5 км, внешним гидростатическим давлением, которое включает заполняемые жидкостью внешнюю (первичную) гидробарическую камеру высокого давления, имеющую расположенный в ее верхней части герметично закрываемый крышкой технологический проем, и размещенную в ней внутреннюю (вторичную) гидробарическую камеру высокого давления, в которой располагается испытуемый объект и которая выполнена в виде прочной разъемной оболочечной капсулы высокого давления, имеющей размещенный в ее верхней части герметично закрываемый крышкой технологический проем. Нижняя часть оболочечной капсулы имеет форму цилиндра с торцом сферообразной формы. Причем упомянутая оболочечная капсула высокого (сверхвысокого) давления с расположенным в ней испытуемым объектом содержит свободный объем, заполняемый жидкостью или жидкостью совместно с практически несжимаемыми телами. В обеих камерах высокого давления размещены измерительные датчики, соединенные герметично проведенными линиями связи с регистрирующей аппаратурой, а их полости сообщены герметично вставленными в крышки проемов трубопроводами с гидронасосами высокого гидростатического давления для подачи в камеры жидкости и изменения в них гидростатического давления в процессе прочностных испытаний (Патент РФ №2704563 от 29.10. 2019 г.) - прототип.
Однако, при возможном разрушении испытуемого объекта в процессе его испытаний под высоким гидростатическим давлением не обеспечивается гарантированная сохранность вторичной гидробарической камеры высокого давления. Причиной этого может являться резкое падение давления рабочей среды внутри оболочечной капсулы в случае возможного разрушения испытуемого в ней под большим давлением технического объекта и вызванные этим потеря прочности и устойчивости оболочечной капсулы, а также повреждение стыковочного узла верхней и нижней частей капсулы под действием динамически изменяющегося давления внутри первичной камеры. Следствием является необходимость существенного увеличения толщины стенок оболочечной капсулы, в том числе в районе стыковочного узла, что, в свою очередь, приводит к уменьшению полезного внутреннего поперечного габарита капсулы и соответствующему уменьшению поперечных габаритов испытываемых в капсуле технических объектов.
Задачей предполагаемого изобретения является обеспечение гарантированной сохранности (вторичной) гидробарической камеры высокого давления при возможном разрушении испытываемого в оболочечной капсуле технического объекта в процессе испытаний под внешним для объекта высоким гидростатическим давлением, а также при внезапном падении давления в первичной камере.
Технический результат, достигаемый при использовании предполагаемого изобретения, заключается в повышении прочности и устойчивости оболочечной капсулы - вторичной камеры высокого давления и предотвращении возможности динамического воздействия на оболочечную капсулу давления внутри первичной камеры высокого давления.
Для этого в устройстве для проведения прочностных испытаний и проверки герметичности глубоководного технического объекта, предназначенном для эксплуатации на глубинах до 11,5 км, внешним гидростатическим давлением, включающем заполняемые жидкостью внешнюю гидробарическую камеру высокого давления, представляющую собой первичную камеру высокого давления, имеющую находящийся в ее верхней части герметично закрываемый крышкой технологический проем, и размещенную в ней внутреннюю гидробарическую камеру высокого давления, в которой располагается испытуемый объект, представляющую собой вторичную испытательную камеру высокого давления, выполненную в виде прочной разъемной оболочечной капсулы высокого давления, также имеющей размещенный в ее верхней части герметично закрываемый крышкой технологический проем, нижняя часть которой имеет форму цилиндра с торцом сферообразной формы, причем оболочечная капсула высокого давления с расположенным в ней испытуемым объектом содержит свободный объем, заполняемый жидкостью или жидкостью совместно с практически несжимаемыми телами, при этом в упомянутых камерах размещены измерительные датчики, соединенные герметично проведенными линиями связи с регистрирующей аппаратурой, а их полости сообщены герметично вставленными в крышки проемов трубопроводами с гидронасосами высокого гидростатического давления для подачи в камеры жидкости и изменения в них гидростатического давления в процессе прочностных испытаний, по изобретению верхняя часть разъемной оболочечной капсулы высокого давления выполнена в виде усеченной конической оболочки, герметично установленной на кольцевой опоре, размещенной на круговом буртике прилива, образованного на внутренней поверхности стенки нижней части оболочечной капсулы. С наружной стороны упомянутая часть капсулы зафиксирована разрезной кольцевой шпонкой в виде совокупности отдельных сегментов, имеющей повышенную твердость и прочность по сравнению со стенками корпуса оболочечной капсулы. Причем крышка технологического проема первичной камеры высокого давления выполнена в виде затворного устройства, к которому подвешена на прочных связях верхняя часть оболочечной капсулы. При этом размещенный в верхней части оболочечной капсулы технологический проем оснащен люком, герметично закрываемым снизу усиленной крышкой, выдерживающей высокое давление изнутри капсулы и выполненной в виде сферического сегмента, которая оборудована удерживающими ее с наружной стороны тягами, прикрепленными к верхнему торцу усеченной конической оболочки. Полость вторичной испытательной камеры высокого давления сообщена трубчатой магистралью с атмосферой через установленный в магистрали аварийный клапан, предусмотренный на выдерживание повышенного расчетного давления, создаваемого в полости оболочечной капсулы. При этом в нижней части разъемной оболочечной капсулы, на внутренней стороне ее стенки, установлен ряд подкрепляющих стенку корпуса оболочечной капсулы круговых силовых колец.
Наличие кольцевой опоры, выполненной на круговом буртике прилива, образованного внутри стенки нижней части оболочечной капсулы, и разрезной кольцевой шпонки, имеющей повышенную твердость и прочность, позволяет надежно зафиксировать в прижатом состоянии стыковку верхней и нижней частей оболочечной капсулы высокого давления, обеспечить необходимую герметичность в месте стыковки и предотвратит возможность разрушения узла соединения верхней и нижней частей оболочечной капсулы.
Выполнение кольцевой шпонки разрезной и в виде совокупности отдельных сегментов объясняется удобством ее монтажа для фиксации сверху герметично устанавливаемой на кольцевой опоре верхней части оболочечной капсулы, выполненной в виде усеченной конической оболочки.
Подвешивание верхней части оболочечной капсулы высокого давления на прочных связях, прикрепленных к затворному устройству технологического проема первичной камеры высокого давления, позволяет предотвратить возможность среза кругового буртика прилива внутри нижней части оболочечной капсулы в случае резкого снижения в ней давления в результате возможного разрушения испытуемого под высоким давлением во вторичной камере испытуемого технического объекта, обеспечив тем самым снижение динамического воздействия на капсулу давления внутри первичной камеры высокого давления.
Необходимость удерживания усиленной крышки, герметично закрывающей снизу люк верхней части оболочечной капсулы высокого давления, удерживающими ее с наружной стороны тягами, прикрепленными к верхнему торцу усеченной конической оболочки. объясняется необходимостью предотвращения падения усиленной крышки в случае резкого падения в оболочечной капсуле давления при возможным разрушении испытуемого в ней при высоком гидростатическом давлении технического объекта.
Введение в состав нижней части оболочечной капсулы ряда круговых силовых колец, устанавливаемых внутри стенки корпуса, позволяет сохранить устойчивость корпуса оболочечной капсулы в случае резкого падения в ней давления, связанного с возможным разрушением испытуемого в оболочечной капсуле технического объекта.
Сообщение полости вторичной испытательной камеры трубчатой магистралью с атмосферой через установленный в магистрали аварийный клапан, предусмотренный на выдерживание повышенного расчетного давления, создаваемого в полости оболочечной капсулы, позволяет предотвратить разрушение оболочечной капсулы из-за динамического воздействия на нее давления внутри первичной камеры при возможном внезапном падении в ней давления.
Сущность изобретения поясняется рисунками где, на фиг. 1 схематически представлено предлагаемое устройство для проведения прочностных испытаний и проверки герметичности глубоководного технического объекта, предназначенном для эксплуатации на глубинах до 11,5 км, внешним гидростатическим давлением и на фиг. 2 - фрагмент верхней части внутренней испытательной камеры высокого давления.
Предлагаемое устройство включает заполненные жидкостью внутреннюю испытательную гидробарическую разъемную камеру высокого давления, представляющая собой вторичную испытательную камеру высокого давления, выполненную, в виде прочной разъемной оболочечной капсулы 1 высокого давления, в которой располагается испытуемый объект 2, и внешнюю гидробарическую камеру высокого давления, представляющую собой первичную камеру высокого давления 3, в которой размещена капсула 1 с испытуемым объектом 2 (фиг. 1). Первичная камера высокого давления 3, имеет размещенный в ее верхней части герметично закрываемый затворным устройством 4 технологический проем 5 для введения в указанную камеру капсулы 1 с испытуемым объектом 2 и проникновения в нее обслуживающего персонала (фиг. 2). Нижняя часть 6 капсулы 1 имеет форму цилиндра с нижним торцом сферообразной формы 7 и с наружными поперечными габаритами, обеспечивающими при ее загрузке в первичную камеру высокого давления 3 зазоры не менее требуемых для безопасной загрузки и выгрузки, в том числе, с учетом вероятного повреждения капсулы 1 в процессе испытаний. Верхняя часть 8 капсулы 1 выполнена в виде усеченной конической оболочки 9, герметично установленной на кольцевой опоре 10, размещенной на круговом буртике 11 прилива 12 (фиг. 1, фиг. 2), образованного на внутренней поверхности стенки нижней части 6 капсулы 1. С наружной стороны верхняя часть 8 капсулы 1 зафиксирована разрезной кольцевой шпонкой 13, выполненной в виде совокупности отдельных сегментов 14 (фиг. 2), которая имеет повышенную твердость и прочность по сравнению со стенками корпуса капсулы 1. Капсула 1 установлена внутри первичной камеры высокого давления 3 на опорном основании 15, а верхняя часть 8 капсулы 1 в виде усеченной конической оболочки 9 подвешена на прочных связях 16 к затворному устройству 4 технологического проема 5 первичной камеры высокого давления 3. Причем упомянутая верхняя часть 8 имеет размещенный в ее верхней части технологический проем 17 герметично закрываемый снизу усиленной крышкой 18, выдерживающей высокое давление изнутри капсулы и выполненной в виде сферического сегмента, которая оборудована удерживающими ее с наружной стороны тягами 19, прикрепленными к верхнему торцу усеченной конической оболочки 9. В нижней части 6 капсулы 1, на внутренней стороне ее стенки, установлен ряд круговых силовых колец 20, подкрепляющих стенку корпуса капсулы 1. Капсула 1 с размещенным в ней испытуемым объектом 2 содержит свободный объем, заполненный жидкостью или жидкостью совместно с практически несжимаемыми телами 21. Полости первичной камеры высокого давления 3 и капсулы 1 сообщены с соответствующими источниками высокого давления (на рисунке не показаны) герметично проведенными в указанные полости испытательных камер трубопроводными магистралями 22 и 23. Полость капсулы 1 сообщена трубчатой магистралью 24 с атмосферой через установленный в магистрали аварийный клапан (на рисунке не показан), предусмотренный на выдерживание повышенного расчетного давления, создаваемого в полости капсулы 1. В капсуле 1 и в первичной камере высокого давления 3 размещены измерительные средства и датчики потери герметичности (на рисунке не показаны) испытуемого объекта 2, соединенные линиями связи 25 с регистрирующей аппаратурой 26 (фиг. 1).
Подготовка и проведение прочностных испытаний и проверки герметичности глубоководного технического объекта внешним гидростатическим давлением с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Открытую нижнюю часть 6 капсулы 1 помещают в первичную камеру высокого давления 3, устанавливая ее на опорное основание 15. Подготовленный к испытаниям объект 2 размещают в полости капсулы 1, куда также вводят практически несжимаемые тела 21 в заранее определенном необходимом объеме. После этого верхнюю часть 8 капсулы 1 устанавливают на кольцевую опору 10 нижней части 6 капсулы 1. К разъемам (на рисунке не показаны) верхней части 8 подсоединяют трубопроводную магистраль 22, для подачи в полость капсулы 1 жидкости, и линии связи 25, соединяющие измерительные средства и датчики фиксации потери герметичности (на рисунке не показаны) на испытуемом объекте 2 с регистрируемой аппаратурой 26. Снаружи к верхней части 8 капсулы 1 прикрепляют прочные связи 16, соединенные с имеющей технологический проем подвижной нижней частью (на рисунке не показана) затворного устройства 4 первичной камеры высокого давления 3. После чего верхнюю часть 8 капсулы 1 с наружной стороны фиксируют совокупностью отдельных сегментов 14 разрезной кольцевой шпонки 13. Далее, используя тяги 19, технологический проем 17 верхней части 8 капсулы 1 снизу герметично закрывают усиленной крышкой 18 (фиг. 2). Затем оставшийся свободный объем капсулы 1 полностью заполняют жидкостью, максимальный объем которой внутри капсулы 1 до начала подъема в ней давления не должен превышать допустимого расчетного значения. Предварительно подсоединив линии связи 25 на затворном устройстве 4 к кабельным разъемам (на рисунке не показаны) первичной камеры высокого давления 3 и трубопроводные магистрали 22 и 23, связанные с источниками высокого давления для подачи жидкости соответственно в полость капсулы 1 и в полость первичной камеры высокого давления 3, герметично закрывают затворным устройством 4 технологический проем 5 первичной камеры высокого давления 3 (фиг. 1). После чего подсоединяют к разъемам затворного устройства 4 (на рисунке не показаны) линии связи 25, соединенные с регистрирующей аппаратурой 26, и в герметично закрытые капсулу 1 и в первичную камеру высокого давления 3 закачивают по трубопроводным магистралям 22 и 23 жидкость, повышая в них гидростатическое давление. Причем повышение давления в капсуле 1 осуществляют таким образом, чтобы давление в ней было равно или больше, чем действующее на нее внешнее давление в первичной камере высокого давления 3. Доведя гидростатическое давление в первичной камере высокого давления 3 до расчетного значения, потом повышают гидростатическое давление в полости капсулы 1 с испытуемым объектом 2 до требуемого значения. При этом на определенных ступенях повышения давления регистрируют параметры напряженно-деформированного состояния испытуемого объекта 2 и показания датчиков (на рисунке не показаны), фиксирующих возможное нарушение герметичности испытываемого объекта 2. Сброс давления в капсуле 1 и первичной камере высокого давления 3 осуществляют таким образом, чтобы в процессе сброса давление в капсуле 1 было больше или равно давлению в первичной камере высокого давления 3.
В случае возможного разрушения испытуемого объекта 2 под воздействием высокого внешнего для него гидростатического давления, внутреннее давление в капсуле 1 может резко понизиться до нуля и при этом динамическое воздействие давления в первичной камере высокого давления 3 на капсулу 1 может привести к повреждению (разрушению) ее конструкции. Однако, специально подобранные площади сечения удерживающих тяг 19 усиленной крышки 18, не способны выдержать воздействие заранее определенного давления на вогнутую поверхность усиленной крышки 18, что приведет к разрыву удерживающих тяг 19. При этом усиленная крышка 18 отрывается, выравнивая давление в первичной камере высокого давления 3 и капсуле 1. Дополнительно установленные изнутри нижней части 6 капсулы 1 подкрепляющие круговые силовые кольца 20, обеспечат сохранность ее конструкции, а кольцевая опора 10, размещенная на круговом буртике 11 прилива 12 (фиг. 2), образованного на внутренней поверхности стенки нижней части 6 капсулы 1, предотвратит повреждение узла стыковки верхней 8 и нижней 6 частей капсулы 1. Прочные связи 16, на которых подвешена к затворному устройству 4 технологического проема 5 первичной камеры высокого давления 3 верхняя часть 8 капсулы 1, также уменьшат вероятность повреждения указанного узла соединения (фиг. 1). При этом, связывающая закрывающую снизу технологический проем 17 усиленную крышку 18 и верхнюю часть 8 капсулы 1, короткая цепь (на рисунке не показана) предотвратит падение усиленной крышки 18 в полость нижней части 6 капсулы 1.
В случае же резкого падения давления в первичной камере высокого давления 3, произойдет резкое повышение разрывной нагрузки в конструкции капсулы 1, из-за чего она может разрушиться. Однако, при превышении расчетной разности давлений в капсуле 1 и первичной камере высокого давления 3 камерах сработает аварийный клапан (на рисунке не показан), установленный в трубчатой магистрали 24, обеспечив быстрое снижение давления в полости капсулы 1 и, тем самым, ее сохранность от разрушения. При этом зафиксированная с наружной стороны разрезной кольцевой шпонкой 13 верхняя часть 8 капсулы 1 останется прижатой к кольцевой опоре 10, размещенной на круговом буртике 11 прилива 12, образованного на внутренней поверхности стенки нижней части 6 капсулы 1 (фиг. 2).
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить гарантированную сохранность (вторичной) гидробарической камеры высокого давления при возможном разрушении испытываемого в капсуле технического объекта в процессе проведения прочностных испытаний глубоководного технического объекта внешним гидростатическим давлением путем создания высокого гидростатического давления в испытательной камере - оболочечной капсуле с испытуемым объектом и во внешней среде (в первичной камере), в которой она размещена, и выполнения регулировки параметров указанных давлений в каждой камере в отдельности, а также контроля нарушения герметичности испытуемого объекта, что его выгодно отличает от прототипа.