Устройство периодического контроля изменения геометрических размеров сечения трубопровода
DEVICE FOR PERIODICAL MONITORING OF CHANGE OF GEOMETRICAL DIMENSIONS OF PIPELINE SECTION

Область использования
Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано, в частности, в качестве одного из средств диагностирования состояния паропроводных систем тепловых электростанций для измерения остаточной деформации ползучести трубных элементов из жаропрочной стали.
Уровень техники
На тепловых электростанциях с паротурбинными энергоблоками и парогазовыми установками в соответствии с требованиями технической эксплуатации периодически должен проводиться контроль изменения геометрических размеров сечения трубных элементов паропроводов, вызванного накоплением остаточной деформации, вследствие высокотемпературной ползучести металла.
Согласно требованиям руководящей документации по контролю металла измерения остаточной деформации ползучести требуется периодически проводить на прямых трубопроводах и прямых участках гнутых колен трубопроводов (РД 10-577-03 Типовая инструкция по контролю металла и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций, Москва 2003 [1]). Несмотря на то, что наиболее напряженными зонами колен трубопроводов являются их гнутые участки, измерение на них остаточной деформации не предусматривается в связи с методическими трудностями по обеспечению корректности проведения таких измерений по причине отклонений формы поперечного сечения в гнутой части колен от формы окружности. В упрощенной трактовке принимается, что конфигурация сечения гнутой части колена имеет форму эллипса. Однако фактически она может заметно отличаться от окружности или эллипса и отвечать фигуре неправильной геометрии, например, иметь грушевидную форму, в том числе не имеющую центральной или осевой симметрии. Вариант измерения остаточной деформации на гнутых участках колен за счет установки стационарных неподвижных реперов также не применяется, так как надежное крепление реперов на поверхности трубопровода обеспечивается сваркой, а применение сварки на гнутых участках колен категорически запрещается из соображений безопасности.
Известно принятое в качестве прототипа заявляемого изобретения устройство периодического контроля изменения геометрических размеров сечения трубопровода, содержащее два измерительных репера, расположенных по периметру контролируемого сечения указанного трубопровода, представляющее собой съемное приспособление, выполненное в виде ленты с закрепленными на концах элементами подпружиненного замкового соединения. Причем последнее в зоне расположения пружины снабжено ходовым винтом и стержневым ограничителем его осевого перемещения, в одном из элементов предусмотрен сквозной продольный канал для прохода щупа штангенциркуля, а в качестве реперов служат взаимодействующие с измерительными торцами линейки и щупа последнего ответные торцевые поверхности указанных элементов замкового соединения (патент РФ №176609 «Устройство периодического контроля остаточной деформации в поперечном сечении паропровода из жаропрочной стали», опубл. 24.01.2018 [2]).
К недостаткам известного из [2] устройства периодического контроля изменения геометрических размеров сечения трубопровода следует отнести:
- снижение точности измерений при наличии отклонений формы сечения трубопровода от формы окружности и эллипса, создающее препятствие измерению изменений периметра сечения в гнутой части колена трубопровода;
- необходимость применения дополнительного измерительного средства в виде штангенциркуля, способствующая снижению надежности и воспроизводимости результатов измерений;
- при поджатии упругой пружиной одного из элементов замкового соединения к другому элементу часть упругого усилия расходуется на силу трения, возникающую между ножками поджимаемого элемента и поверхностью трубопровода, что приводит к нарушению постоянства заданного усилия натяга ленты при повторных измерениях и влиянию на точность измерений.
Раскрытие изобретения
Задачей патентуемого изобретения является обеспечение надежного контроля остаточной деформации ползучести трубопровода из жаропрочной стали за счет повышения точности измерения периметра контролируемого сечения трубопровода в центральной изогнутой части его колена, а техническим результатом - повышение точности измерения периметра контролируемого сечения трубопровода при любой конфигурации его контролируемого сечения.
Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата обеспечивается тем, что устройство периодического контроля изменений геометрических размеров сечения трубопровода, выполненное в виде съемного приспособления, содержащего гибкую ленту с закрепленными на концах элементами подпружиненного замкового соединения, совмещаемыми в этом соединении с охватом лентой периметра контролируемого сечения трубопровода, отличается тем, что гибкая лента снабжена магнитными пластинами, жестко прикрепленными с периодическим шагом к внешней поверхности гибкой ленты, противоположной ее внутренней поверхности, прилегающей к поверхности внешней стенки трубопровода. При этом закрепленные на концах гибкой ленты элементы подпружиненного замкового соединения имеют одинаковую длину их оснований, обращенных к поверхности внешней стенки трубопровода, и выполнены со скошенными верхними поверхностями, причем угол их скоса а между плоскостями их оснований и плоскостями их верхних поверхностей определяется соотношением:
где G - половина длины основания одного из вышеуказанных элементов подпружиненного замкового соединения, R - номинальный наружный радиус трубопровода. При этом на вышеуказанных верхних поверхностях элементов подпружиненного замкового соединения жестко закреплены части измерительного средства, действующего по принципу штангенциркуля: на поверхности одного из элементов расположена линейка-шкала, на поверхности другого - нониус. Причем один из элементов подпружиненного замкового соединения со стороны его основания, обращенного к поверхности внешней стенки трубопровода, содержит опорные ножки, снабженные катками на их концах для свободного перемещения по поверхности внешней стенки контролируемого трубопровода.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем:
- снабжение гибкой ленты магнитными пластинами, жестко прикрепленными с периодическим шагом к внешней поверхности, прилегающей к поверхности внешней стенки трубопровода обеспечивает повышение точности измерений контролируемого сечения трубопровода при наличии отклонений формы его сечения от формы окружности и эллипса с целью обеспечения возможности более точного измерения периметра контролируемого сечения трубопровода в центральной изогнутой части его колена за счет надежного прилегания ленты без зазоров к поверхности контролируемого сечения;
- закрепленные на концах гибкой ленты элементы подпружиненного замкового соединения имеют одинаковую длину их оснований, обращенных к поверхности внешней стенки трубопровода, и выполнены со скошенными верхними поверхностями, причем угол их скоса а между плоскостями их оснований и плоскостями их верхних поверхностей определяется соотношением:
где G - половина длины основания одного из вышеуказанных элементов подпружиненного замкового соединения, R - номинальный наружный радиус трубопровода, при этом на вышеуказанных верхних поверхностях элементов подпружиненного замкового соединения жестко закреплены части измерительного средства, действующего по принципу штангенциркуля: на поверхности одного из элементов расположена линейка-шкала, на поверхности другого - нониус, что позволяет уменьшить погрешность измерений за счет исключения необходимости использования дополнительного измерительного средства с целью обеспечения воспроизводимости результатов измерений, а также за счет того, что при совмещении вышеуказанных элементов замкового соединения плоскости их верхних поверхностей находятся практически на одном уровне;
- один из элементов подпружиненного замкового соединения со стороны его основания, обращенного к поверхности внешней стенки трубопровода, содержит опорные ножки, снабженные катками на их концах для свободного перемещения по поверхности внешней стенки контролируемого трубопровода, что обеспечивает снижение силы трения, возникающей между элементами устройства периодического контроля изменения геометрических размеров сечения трубопровода и поверхностью внешней стенки трубопровода с целью обеспечения постоянства заданного усилия натяга ленты при повторных измерениях для повышения их точности.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен общий вид примера конструктивного выполнения устройства периодического контроля изменений геометрических размеров сечения трубопровода. На фиг. 2 представлен общий вид охвата трубопровода лентой с закрепленными на ней магнитными пластинами. На фиг. 3 представлен общий вид охвата трубопровода лентой без магнитных пластин. На фиг. 4 представлен вид замкового соединения сверху. На фиг. 5 представлен вид замкового соединения в сечении А-А. На фиг. 6 представлена схема расчета угла скоса верхних поверхностей элементов подпружиненного замкового соединения: направляющей скобы и мишени. На фиг. 7 представлен вид направляющей скобы со стороны, обращенной к внешней стенке трубопровода. На фиг. 8 представлен вид направляющей скобы в сечении Б-Б. На фиг. 9 представлен вид направляющей скобы со стороны направляющих щек. На фиг. 10 представлен вид мишени со стороны, обращенной к внешней наружной стенке трубопровода. На фиг. 11 представлен вид мишени в сечении В-В. На фиг. 12 представлен вид мишени со стороны отверстия для стержневого ограничителя.
Перечень позиций чертежей
10 - лента;
11 - магнитные пластины;
20 - замковое соединение;
21 - направляющая скоба;
211 - перекладина;
212 - направляющие щеки;
213 - опорная ножка;
22 - мишень;
221 - катки;
23 - замыкающая рамка;
24 - пружина;
25 - палец-шарнир;
26 - ходовой винт-регулятор;
261 - упорный маховик;
262 - контргайка;
27 - стержневой ограничитель;
28 - резьбовые отверстия;
30 - трубопровод;
40 - измерительное средство;
41 - линейка-шкала;
42 - нониус.
Осуществление изобретения
Ниже приведены частные примеры конструкции устройства периодического контроля изменений геометрических размеров сечения трубопровода и принцип его работы.
Устройство периодического контроля изменения геометрических размеров сечения трубопровода выполнено в виде гибкой ленты 10 из нержавеющей стали толщиной 0,2 мм с закрепленными на концах элементами подпружиненного замкового соединения 20. При этом гибкая лента снабжена магнитными пластинами 11, жестко закрепленными на ее внешней поверхности. Плотное прилегание ленты 10 к контролируемому участку трубопровода 30 из жаропрочной стали при каждом измерении обеспечивается вышеуказанными магнитными пластинами 11 на поверхности ленты 10, не контактирующей с трубопроводом 30, а также поджатием пружиной 24 в замковом соединении 20 концов ленты 10. Пластины И прикреплены к поверхности ленты 10 посредством клеевого соединения (фиг. 1, 2, 3). Рекомендуется для каждого конкретного сортамента оборудования применять индивидуальное устройство, изготовленное под заданный типоразмер трубопроводов. В этом случае, в зависимости от диаметра трубопровода, подбирается оптимально не только длина и ширина ленты, но также основные размеры магнитных пластин и шаг их расстановки вдоль ленты.
Замковое соединение 20 выполнено в виде закрепленной на одном из концов ленты 10 направляющей скобы 21 (первого элемента замкового соединения 20), а на другом - ответной по отношению к направляющей скобе 21 мишени 22 (второго элемента замкового соединения 20). К боковым граням перекладины 211 направляющей скобы 21 с помощью пальца-шарнира 25 прикреплена замыкающая рамка 23 замкового соединения 20 (фиг. 4). Для обеспечения при каждом измерении постоянного усилия притяжения элементов в замковом соединении 20 внутри мишени 22 с ее тыльной стороны вдоль продольной оси симметрии предусмотрен цилиндрический канал с частично утопленной в нем с зазором цилиндрической пружиной 24 (фиг. 4). Вдоль оси канала расположен жестко закрепленный в мишени 22 стержневой ограничитель 27, проходящий с зазором внутри пружины 24 и выступающий наружу относительно тыльной грани мишени 22. В центре поперечины замыкающей рамки 23 имеется резьбовое отверстие, в которое ввинчен вдоль продольной оси замыкающей рамки 23 с внутренней ее стороны ходовой винт-регулятор 26 с упорным маховиком 261, имеющим боковую насечку для обеспечения возможности его ручного привода. Свободный конец ходового винта-регулятора 26 с наружной стороны замыкающей рамки 23 снабжен контргайкой 262 (фиг. 4, 5). Торцевая поверхность упорного маховика 261 служит контактной поверхностью для передачи усилия от ходового винта-регулятора 26 к пружине 24. Одновременно этот торец упорного маховика 261 является рабочей поверхностью, упирающейся в торец стержневого ограничителя 27, ограничивающего осевое перемещение ходового винта-регулятора 26, обеспечивая тем самым постоянное усилие поджатая пружины 24 в замковом соединении 20 (фиг. 4, 5). Для исключения влияния сил трения между опорными поверхностями элементов замкового соединения 20 и поверхностью внешней стенки трубопровода 30 на баланс усилий при сборке и фиксации замкового соединения 20 на трубопроводе 30, опорные ножки мишени 22, снабжены катками 221, что также обеспечивает при одинаковом усилии поджатая пружины 24 одинаковое усилие натяжения ленты 10 (фиг. 5, 10, 11, 12). Для другого элемента замкового соединения 20, т.е. для направляющей скобы 21, для удобства сборки устройства фиксация на трубопроводе 30 осуществляется с помощью опорной ножки 213 и нижней контактной плоскости перекладины 211 (фиг. 5, 7, 8, 9). В скобе 21 и мишени 22 дополнительно предусмотрены резьбовые отверстия 28 для закрепления элементов замкового соединения 20 (скобы 21 и мишени 22) на концах ленты 10 посредством винтов с потайной головкой (на фиг. не показаны) таким образом, чтобы головки винтов не выступали из нижней поверхности ленты 10 и зоны контактных точек катков 221, примыкающих к поверхности внешней стенки трубопровода 30 (фиг. 5, 10, 11, 12).
1
1
1
1
При огибании лентой 10 контура сечения трубопровода 30 неправильной геометрии прилегание ленты 10 к поверхности на участках обратной кривизны, т.е. на участке вогнутой дуги, будет не идеально плотным, а будет осуществляться по ломаной линии, описываемой дугой (фиг. 3). Стороны ломаной линии определяются шириной магнитных пластин и расстоянием между их ближайшими краями (фиг. 2). Для конкретного примера, выполнена оценка возникающей при этом погрешности измерений. Если рассмотреть трубопровод небольшого диаметра D=120 мм и принять, что радиус R дуги на вогнутом участке будет составлять треть номинального наружного радиуса R трубопровода, т.е. R=R/3=20 мм, ширина магнитных пластин 11 будет составлять 4 мм, а расстояние между их краями 10 мм, то погрешность измерений на одном таком участке составит не более 0,7÷0,8%. Таких участков будет не более двух на контролируемое сечение трубопровода 30, и тогда общая погрешность измерений не превысит 1,5%. При отсутствии магнитных пластин 11 на ленте 10 погрешность измерений будет на порядок и более превышать вычисленную погрешность при наличии магнитных пластин 11. С уменьшением радиуса R дуги обратной кривизны погрешность увеличивается, однако в приведенном примере этот радиус принят минимально приемлемым, так как при меньшем радиусе кривизны будет иметь место не столько искривление контура сечения, а скорее дефект поверхности типа вмятины, что не допускается нормами качества. При увеличении диаметра трубопровода 30 относительно принятого в примере расчета и соответственно увеличении радиуса R дуги обратной кривизны величина погрешности будет уменьшаться, что может служить основанием для увеличения принятых в примере расчета значений ширины магнитных пластин 11 и расстояния между их ближайшими краями (фиг. 2, 3).
Верхние поверхности направляющей скобы 21 (в том числе направляющих щек 212) и мишени 22 выполнены со скосом на определенный угол (фиг. 1, 2, 3, 5) таким образом, чтобы при установке и фиксации замкового соединения 20 на поверхности трубопровода 30, т.е. при совмещении в замковом соединении 20 направляющей скобы 21 и мишени 22, их верхние поверхности находились в одной плоскости, что обеспечивает повышение точности измерений. Схематичный пример расчета угла скоса верхних поверхностей направляющей скобы 21 и мишени 22 показан на фиг. 6.
С незначительной погрешностью можно принять, что часть окружности трубопровода 30 в виде дуги, отвечающей незамкнутому лентой 10 участку периметра сечения трубопровода 30, соответствует суммарной длине имеющих одинаковую длину оснований направляющей скобы 21 и мишени 22, обращенных к поверхности внешней стенки трубопровода 30 (фиг. 6). Проведенные через середины оснований этих элементов радиусы окружности сечения трубопровода 30 (OA и ОВ на фиг. 6) будут перпендикулярны нижним и верхним граням направляющей скобы 21 и мишени 22 (при отсутствии скоса их верхних поверхностей), образуя угол 2α (фиг. 6). При условии равенства оснований направляющей скобы 21 и мишени 22 проведенный через точку их совмещения радиус-луч ОС делит угол 2α пополам, и в этом случае углы скоса верхних плоскостей направляющей скобы 21 и мишени 22 (углы CDE и CFE (углы β на фиг. 6)) будут одинаковы и будут равны углу α, так как стороны этих углов (CDE и CFE) перпендикулярны сторонам соответствующих углов α: углу СОВ и СОА (фиг. 6). Значение угла α согласно схеме на фиг. 6 легко определяется из пропорции: πR→180°; G→α, где G - половина длины основания одного из элементов подпружиненного замкового соединения (направляющей скобы 21 или мишени 22), R - номинальный наружный радиус трубопровода 30 (фиг. 6). Тогда:
Принимая в качестве примера G=30 мм (длина основания элемента замкового соединения 20 равна 60 мм) и R=200 мм, получаем α≈8°. При уменьшении длины основания элемента замкового соединения 20 до 50 мм, т.е. G=25 мм, при том же радиусе трубопровода 30 получим угол скоса α≈7°.
Для осуществления измерений на верхних скошенных поверхностях мишени 22 и одной из направляющих щек 212 жестко закреплены детали измерительного средства 40: на поверхность одного из элементов замкового соединения 20 (в приведенном примере на верхнюю поверхность направляющей скобы 21) - линейка-шкала 41, на поверхность другого элемента (в приведенном примере на мишени 22) - нониус 42 (фиг. 1, 4, 5). Линейка-шкала 41 и нониус 42 измерительного средства 40 могут быть заимствованы от штатного штангенциркуля и после их доработки жестко закреплены на скошенных верхних поверхностях элементов замкового соединения 20.
Устройство периодического контроля изменений геометрических размеров сечения трубопровода согласно изобретению работает следующим образом.
Для производства измерений периодически при остановленном оборудовании на контролируемом участке соответствующего трубопровода 30 снимают тепловую изоляцию и в выбранном для контроля сечении устанавливают заявляемое устройство. Для этого, зафиксировав (удерживая) направляющую скобу 21 в выбранном месте, огибают контролируемое сечение мишенью 22 с прикрепленной к ней лентой 10, на которой жестко прикреплены с периодическим шагом магнитные пластины 11 для обеспечения плотного без зазоров прилегания ленты 10 к поверхности контролируемого трубопровода 30, и вставляют мишень 22 в вырез направляющей скобы 21 при поднятой замыкающей рамке 23 (фиг. 1, 2, 4, 5). Выбор конкретного места фиксации скобы 21 на окружности контролируемого сечения не влияет на результат измерений и осуществляется из соображений удобства, в том числе с учетом фактической конфигурации сечения трубопровода 30. Имеется в виду, что в случае проведения измерений на трубопроводах с отклонениями формы сечения от формы окружности, следует исключать установку замкового соединения и фиксацию его элементов в местах обратной кривизны сечения, т.е. на участке вогнутой дуги его контура.
После установки мишени 22 в вырезе направляющей скобы 21 опускают замыкающую рамку 23, и вращением упорного маховика 261 ходового винта-регулятора 26 сжимают пружину 24 до момента упора плоскости маховика 261 в торец стержневого ограничителя 27, обеспечивая заданный ход сжатия пружины 24, после чего положение ходового винта-регулятора 26 жестко фиксируют контргайкой 262 (фиг. 1, 4, 5). При этом перемещение мишени 22 по поверхности трубопровода 30 в процессе совмещения с направляющей скобой 21 происходит с помощью двух продольно установленных катков 221 для снижения трения и, благодаря этому, обеспечения одинакового усилия натяга ленты 10 при различных измерениях при одинаковом заданном ходе пружины 24, что способствует повышению воспроизводимости и точности измерений (фиг. 5, 10, 11). При установке устройства необходимо убедиться в плотности прилегания ленты 10 на участках вогнутой поверхности трубопровода 30 (фиг. 2).
После установки и фиксации замкового соединения 20 на трубопроводе 30 и совмещения в одной плоскости верхних поверхностей направляющей скобы 21 и мишени 22 выполняют измерение непосредственно по линейке-шкале 41 путем отсчета с помощью нониуса 42 (фиг. 1, 4).
Промышленная применимость
Устройство периодического контроля изменений геометрических размеров сечения трубопровода согласно изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.