ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА МЕХАНО-КОРРОЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Полезная модель относится к области испытания материалов на прочность, а в частности для испытания труб большого диаметра на механо-коррозионную прочность.
6
Известен образец для испытания металла труб при двухосном напряженном состоянии, представляющий собой разрезное кольцо с выемкой, расположенной на внешней поверхности образца. Выемка выполнена в виде кольцевой проточки симметрично относительно ширины образца, глубина и ширина которой выбирается из условий обеспечения соотношения напряжений в центральной части образца, соответствующего напряженному состоянию трубы (см. патент РФ №2073842, МПК G 01 №3/08 опубликованный БИ №5, 1997 г.).
Недостаток известного образца заключается в том, что невозможно создать однородное поле напряжений по всей толщине исследуемого образца, что снижает точность оценки длительной прочности металла трубы, так как в реальных условиях изгибная схема напряжения не соответствует реальной работе нефтегазопроводов.
Также существенным недостатком известного образца является то, что для создания двухосности в центральной части образца выполнена проточка, величина которой выбирается в зависимости от требуемого состояния главных напряжений, что приводит к нарушению или изменению состояния поверхности слоев трубы и, как следствие снижает точность испытаний при определении прочности металла трубы.
Таким образом, известный образец не обеспечивает достаточной точности оценки длительной прочности металла труб, из-за несоответствия реальной работе трубы.
7
Наиболее близким к заявленному техническому решению является образец, состоящий из сегмента испытуемой трубы, концы которого предназначены для нагружения усилиями, направленными по одной оси, (см. патент РФ №2174225, MПК G 01 N 3/08, опубл. 27.09.2001 г.).
Недостаток прототипа заключается в том, что невозможно создать в рабочей зоне по всей толщине образца однородного поля растягивающих напряжений, что снижает точность оценки длительной прочности металла трубы, так как в реальных условиях трапециевидная эпюра напряжений по толщине образца не соответствует работе труб нефтегазопроводов.
Задачей предлагаемого технического решения является максимальное приближение условий испытаний сегмента трубы большого диаметра, к реальным и повышение точности испытания металла трубы на механо-коррозионную прочность.
Решение технической задачи заключается в том, что в известном образце для испытания на механо-коррозионную прочность труб большого диаметра, состоящим из сегмента испытуемой трубы, концы которого предназначены для нагружения усилиями, направленными по одной оси, согласно полезной модели, он дополнительно снабжен балкой, соединенной с сегментом испытуемой трубы, нижняя часть которой повторяет кривизну испытуемой трубы при этом на выпуклой поверхности в центральной части балки, прилегающей к испытуемой трубе, выполнена проточка, длина l которой определена по формуле:
где
1
C - const = 0,0225;
R - радиус трубы большого диаметра, см
D - цилиндрическая жесткость испытуемой трубы кг·см,
из.доп
М - допустимый изгибающий момент для испытуемой трубной стали кг·см,
а отношение высоты балки к толщине сегмента испытуемой трубы составляет 4÷6.
Данная конструкция образца позволит, при приложении механического усилия, создать в нем напряжения, соответствующие напряжениям реального трубопровода, что повышает точность испытания труб большого диаметра на механо-коррозионную прочность.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - изображен образец испытуемой среды, а на фиг.2 - график экспериментально полученной зависимости деформации изгиба элемента трубы в области проточки от действия нагрузки.
Образец для испытания на механо-коррозионную прочность труб большого диаметра состоит из сегмента испытуемой трубы 1, балки 2, которая повторяет конфигурацию сегмента испытуемой трубы 1 и проточки 3, выполненной на выпуклой поверхности в центральной части балки 2, соприкасающейся с сегментом испытуемой трубы 2.
Испытание образца проводилось следующим образом.
тр
δ
тр
δ
Получение растягивающих напряжений обеспечивалось специальной балкой 2, конфигурация которой повторяла кривизну сегмента испытуемой трубы 1 (см. фиг.1). Одновременно высота балки 2 способствовала тому, что испытываемый сегмент трубы 1 по всей толщине находился в поле растягивающих напряжений т.к. нейтральная ось всего сечения находилась на расстоянии z=(h+Н)/2, где h - высота трубы, Н - высота балки.
В процессе испытания образец нагружали по схеме чистого (четырехточечного) изгиба. В этом случае в балке 2 и исследуемом сегменте трубы 1, реализовывали состояние чистого изгиба. При изгибной схеме нагружения, напряжения в наружной и внутренней поверхностях трубы определяли по известным формулам сопротивления материалов. Напряжение по толщине трубы, в этом случае, было неоднородным и зависело от толщины балки 2 и трубы 1.
δ
тр
Оптимальное соотношение по экспериментальным данным H/h определено в пределах 4÷6.
Для выравнивания эпюры напряжений по толщине сегмента испытуемой трубы 1 (см. фиг.2) использовали эффект проточки, при этом длина проточки 3 была определена из зависимости:
1
из.доп
где l - длина проточки, см; C - const = 0,0225; R - радиус трубы большого диаметра, см; D - цилиндрическая жесткость испытуемой трубы, кг·см, М - допустимый изгибающий момент для испытуемой трубной стали, кг·см, которую определяли по формуле:
6
2
где Е - модуль упругости = 2·10 кг/см; h - толщина трубы, см; ν - коэффициент Пуассона.
Эффект выравнивания напряжений в области проточки 3 заключался в том, что в процессе нагружения балки 2 с сегментом испытуемой трубы 1, происходила деформация изгиба сегмента испытуемой трубы 1, направленная в глубь проточки 3. Таким образом, в сегменте испытуемой трубы 1 происходила деформация изгиба и, как следствие, выравнивание напряжения.
Совместная работа балки 2 и сегмента испытуемой трубы 1 обеспечивалась за счет сварки торцов сегмента испытуемой трубы 1 к балке 2.
Для исследования характерных дефектов в центральной части исследуемой трубы 1 наносили поверхностный надрез, из которого выращивалась усталостная трещина. Одновременное нагружение парой сил позволяло выявить свойства наиболее слабой зоны, в этом случае изгиб наиболее предпочтителен. В процессе испытаний нагрузка, приложенная к балке 2 и соответственно к сегменту испытуемой трубы 1, поддерживалась постоянной. Вследствие этого общий запас упругой потенциальной энергии поддерживался на уровне, обеспечивающем развитие усталостной трещины. Большой запас потенциальной
энергии резко сокращает время до растрескивания и увеличивает скорость растрескивания по сравнению с испытаниями при постоянной общей деформации.
Использование предлагаемого образца для испытания на механо-коррозионную прочность труб большого диаметра по сравнению с прототипом позволит, при приложении механического усилия, создать в нем напряжения, соответствующие напряжениям реального трубопровода и повысить точность испытания трубы на механо-коррозионную прочность.