СПОСОБ ЗАДЕРЖКИ РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ В КОНСТРУКЦИЯХ И УСТРОЙСТВО "КЫСКЫЧ" ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO RETARD FLAW DEVELOPMENT AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к ремонту широкого класса конструкций, содержащих элементы и узлы с дефектами, например, на трубопроводах, корпусах строительных сооружений и машиностроительных конструкций, транспортных средств, газгольдеров и других оболочечных и пластинчатых конструкциях.
Известны способы торможения роста несквозных усталостных трещин в изделии, включающем сверление отверстий в вершинах трещины с обеих сторон выхода на переднюю поверхность детали несквозной трещины, дополнительное сверление отверстий по обе стороны от плоскости трещины симметрично по отношению друг к другу и на одинаковом расстоянии от отверстий в вершинах трещин, динамическое взаимное перемещение берегов усталостных трещин, плавное прекращение динамических нагружений, установку в отверстия крепежных элементов, их попарное стягивание в плоскостях проходящих одновременно через отверстия в вершинах трещин, и отверстия, расположенные в срединной части трещин, с последующей затяжкой крепежных элементов. Перед установкой крепежного элемента проводят выглаживание поверхности отверстий при вершинах трещин, осуществляют поверхностное пластическое деформирование в отверстиях, кромках и по поверхности детали с обеих сторон в плоскости роста трещин и перед ее вершинами в зоне продолжения плоскости трещины, устанавливают в отверстия при вершинах трещины по две полувтулки, ориентируют плоскостью их раздела перпендикулярно плоскости трещины, устанавливают крепежный элемент в отверстия, образованные полувтулками, с радиальным натягом в плоскости трещины, а попарное стягивание крепежных элементов со стороны задней поверхности детали проводят в двух взаимно параллельных плоскостях, проходящих через отверстия при вершине трещины и ближайшее отверстие к срединной части трещины, а также в плоскости, проходящей через оставшиеся свободными отверстия в срединной части трещины (а.с. №1401892 по М.Кл. - C21D 1/04, опубл. 15.05.1994 г.) (аналог).
Недостатками известных способов является сложность и высокая трудоемкость технологии.
Известны также способы ремонта корпусных деталей с трещинами, в которых ремонт осуществляют с помощью устройства, выполненного в виде П-образного стяжного элемента, образованного перемычкой, опирающейся на поверхность детали, и отходящими от перемычки ножками. Одна ножка жестко закреплена на перемычке, а другая образована смонтированным с возможностью вращения в отверстии перемычки соосным с ним цилиндрическим участком. С одной стороны этого участка связан хвостовик, а с другой стороной - участок, расположенный с эксцентриситетом "е" относительно оси участка. В детали, имеющей трещину, сверлят пары отверстия, которые располагают на прямой, перпендикулярной направлению трещины. Отверстия каждой пары располагают с противоположных сторон трещины, устанавливая в одну пару отверстий ножку стяжного элемента и участок другой ножки. Затем, вращая эту ножку за хвостовик, воздействуют ее эксцентриковым участком на один край трещины до смыкания его с другим краем и полного замыкания трещины. После этого трещину в этой зоне проваривают и переставляют устройство в следующую пару отверстий до полной ликвидации трещины (патент №2055715 по М.Кл. - B23P 6/04, опубл. 10.03.1996 г.) (аналог).
Недостатком известных способов является необходимость применения сложного эксцентрикового механизма, что снижает надежность.
Известен также способ задержки роста усталостных трещин в конструкциях преимущественно со сквозными трещинами, заключающийся в выполнении в вершинах трещин отверстий, установке в них полувтулок, а затем крепежных элементов в отверстия, образованные полувтулками, с радиальным натягом 5-10% от номинального диаметра отверстия в вершине трещины под втулки и осевым натягом, при этом выполняют дополнительное отверстие с осью, расположенной в плоскости трещины, перед ее вершиной. Далее устанавливают в это отверстие дополнительные полувтулки, ориентируют их плоскостью раздела перпендикулярно плоскости трещины, устанавливают дополнительные крепежные элементы, а перед затяжкой крепежных элементов между ними помещают пружинные вставки с обеих сторон конструкции и создают ими при стягивании крепежных элементов напряжения сжатия в плоскостях, параллельных плоскости трещины перед ее вершиной (патент №1343689 по М.Кл. - B23P 6/00, опубл. 15.04.1994 г.) (прототип).
Недостатками указанного способа являются:
а) необходимость создания одновременно радиального и осевого натяга;
б) в зоне дополнительных отверстий возникают концентраторы напряжений, способствующие случайному разрушению материала;
в) способ неприменим для широкого круга дефектов, кроме трещин.
Известны накидные гайки из пластмассы, имеющие две половинки и выполненные с помощью соединения, использующего крючки, и соединения, использующего пружинные зажимы. При этом первая половинка гайки имеет конец, выполненный в форме крючка для закрепления в соответствующем пропускном отверстии в накладке, отформованной на конце второй половинки гайки. На другом конце первой половинки гайки отформован выступ для фиксации в соответствующем отверстии накладки, отформованной на другом конце второй половинки гайки (патент №2300025 по М.Кл. - F16B 37/08, F16B 37/10, опубл. 27.05.2007 г.) (аналог).
Известны винтовые зажимы для стягивания стыков, содержащие два шарнирно соединенных и связанных пружиной растяжения двуплечих рычага. В резьбовом отверстии первого рычага установлена самоотвинчивающаяся при действии осевой силы втулка. В резьбовом отверстии втулки установлен самотормозящийся при действии осевой нагрузки винт, контактирующий с вторым рычагом. На первом рычаге установлена пружина кручения, закрепленная на втулке, причем ее геометрическая ось совпадает с осью винта. На втулке закреплен ограничитель поворота, взаимодействующий с подпружиненной защелкой, смонтированной на первом рычаге (патент №2006693 по М.Кл. - F16B 21/06, опубл. 30.01.1994 г.) (аналог).
Наиболее близким по техническому решению к устройству для осуществления заявленного способа является крепежный элемент, содержащий две боковые стенки и основание, при этом боковые стенки изготовлены из материала со свойством «эффекта памяти формы», причем они расположены под углом друг к другу и в центральной части в области стыка друг с другом имеют вырез продолговатой формы, а основания выполнены в виде лапок, присоединенных к боковым стенкам и направленных наружу (патент РФ №2380585 по М.Кл. - F16B 5/06, опубл. 27.01.2010 г.) (прототип).
Недостатками такого крепежного элемента являются:
а) используется дорогостоящий материал со свойством «эффекта памяти формы»;
б) крепежный элемент имеет большую высоту, что обуславливает большие габариты устройства;
в) для срабатывания устройства необходимо подвод тепла заданной температуры из специального источника энергии.
Задачами (целью) изобретения являются упрощение технологии, повышение эффективности задержки развития дефектов, снижение энергозатрат, уменьшение габаритов и стоимости устройства.
Указанные задачи достигаются тем, что в способе задержки развития дефектов в элементах конструкций, включающем закрепление предварительно растянутой пружинной вставки с лапками в фиксирующей рамке, прикрепление лапок пружинной вставки к элементу конструкции вне зоны дефекта и снятие фиксирующей рамки, предварительное растяжение пружинной вставки осуществляют на величину ΔL, которую определяют по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>β</mi><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></munder><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
,
где β - коэффициент, равный 1…1,5;
σ - напряжение в бездефектной области элемента конструкции;
def
S - площадь дефектной области элемента конструкции;
i
k - коэффициент жесткости i-ой пружины в пружинной вставке;
n - число пружин в пружинной вставке.
В устройстве для осуществления способа задержки развития дефектов в элементах конструкций, содержащем пружинную вставку, выполненную в виде лапок с проушинами, на которых закреплены концы пружин, и фиксирующую рамку, на которой пружинная вставка закреплена в предварительно растянутом заряженном состоянии, пружинная вставка предварительно растянута на величину ΔL:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>β</mi><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></munder><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
,
где β - коэффициент, равный 1…1,5;
σ - напряжение в бездефектной области элемента конструкции;
def
S - площадь дефектной области элемента конструкции;
i
k - коэффициент жесткости i-ой пружины в пружинной вставке;
n - число пружин в пружинной вставке.
В частности, в пружинной вставке использован набор или винтовых цилиндрических пружин, или пружин-змейка. Фиксирующая рамка в общем случае выполнена в виде профиля П-образного поперечного сечения и имеет упоры для фиксации пружинной вставки. Фиксирующая рамка состоит из двух шарнирно соединенных частей, на каждом из которых закреплен сектор с отверстиями для фиксации взаимного расположения частей под заданным углом между ними. При отсутствии сектора указанные части связаны посредством шарнира и фиксирующего штыря. Фиксирующая рамка имеет фиксирующие штыри для временного удержания пружин пружинной вставки в растянутом состоянии. Фиксирующая рамка представляет единую деталь, например, цельнометаллический кожух.
На фиг.1 представлен общий вид пружинной вставки с пружинами типа «змейка»; на фиг.2 - пружинная вставка, вид сбоку; на фиг.3 - то же, вид сверху; на фиг.4 - пружинная вставка с винтовыми цилиндрическими пружинами; на фиг.5 - фиксирующая рамка (в простейшем ее исполнении); на фиг.6, 7, 8 показаны сечения пружинной вставки по фиг.4; на фиг.9 изображен разрез устройства для задержки развития дефектов в конструкциях, например, в цилиндрических телах (в частности, в трубопроводах) с одним перекидным фиксирующим штырем; на фиг.10 - то же, с несколькими фиксирующими штырями; на фиг.11 изображено устройство для задержки развития дефектов в конструкциях, состоящее из двух плоских шарнирно соединенных частей, в сборе; на фиг.12 - изображено устройство для задержки развития дефектов в конструкциях, состоящее из двух плоских шарнирно соединенных частей, в рабочем состоянии; на фиг.13 показано устройство для задержки развития дефектов в элементах конструкций, состоящее из двух плоских шарнирно соединенных частей с фиксирующими секторами; на фиг.14 - то же, вид сверху, на фиг.15 приведена фотография одного из вариантов исполнения устройства.
Способ задержки развития дефектов в элементах конструкций осуществляется следующим образом.
Подготавливают поверхность вблизи дефектной области (коррозионное углубления, трещины, царапины и др.) для закреплении крепежных элементов на детали конструкции, в частности, при необходимости удаляют поверхностное покрытие, продукты коррозии и загрязнения. Определяют необходимые параметры пружинной вставки устройства задержки развития дефектов в конструкциях, в частности, вычисляют величину ΔL предварительного растяжения пружинной вставки (из условия компенсации силы, потерянной в дефектном участке) по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>β</mi><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></munder><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
,
где β - коэффициент, равный 1…1,5;
σ - напряжение в бездефектной области элемента конструкции;
def
S - площадь дефектной области элемента конструкции;
i
k - коэффициент жесткости i-ой пружины в пружинной вставке;
n - число пружин в пружинной вставке.
Коэффициент компенсации потери несущей способности β назначают для локальных гладких дефектов (углублений) в пределах от 1 до 1,2, а для трещин от 1,2 до 1,5.
Растягивают пружинную вставку устройства с учетом расчетной величины ΔL, и фиксируют вставку в положении предварительно растянутого состояния. Опорные концы устройства закрепляют на противоположных от дефекта бездефектных областях детали, например, путем сварки, пайки, склеивания или при помощи крепежных соединений. Удаляют фиксирующие элементы и тем самым создают напряжения сжатия в дефектной области при помощи пружинных вставок. Далее проводят защитные мероприятия, в частности, наносят герметизирующие покрытия.
Устройство для осуществления способа задержки развития дефектов в элементах конструкций представляет собой пружинную вставку, состоящую из основания в виде лапок 1 с проушинами 2 с отверстиями, в которые закреплены концы пружины растяжения 3. Желательно, чтобы рабочие поверхности лапок, которые будут контактировать с поверхностью конструкции, повторяли конфигурацию поверхности конструкции. Если конструкция имеет плоскую поверхность, то рабочая поверхность лапок должна быть плоской. Если конструкция имеет искривленную поверхность (например, цилиндрическая поверхность трубопровода), то рабочая поверхность лапок должна максимально приближаться к конфигурации поверхности конструкции. Концы пружин могут быть запрессованы непосредственно в лапку 1 или закреплены другими средствами. Пружины 3 могут быть или винтовыми цилиндрическими, или пружины типа «змейка». Таким образом, пружинная вставка представляет собой набор или винтовых цилиндрических, или пружин-змеек, концы которых закреплены на лапках 1.
Пружинная вставка закреплена в фиксирующей рамке, временно удерживающей устройство в предварительно растянутом состоянии на величину ΔL:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>β</mi><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></munder><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
,
где β - коэффициент, равный 1…1,5;
σ - напряжение в бездефектной области элемента конструкции;
def
S - площадь дефектной области элемента конструкции;
i
k - коэффициент жесткости i-ой пружины в пружинной вставке;
n - число пружин в пружинной вставке.
Крепление пружинной вставки к фиксирующей рамке осуществляется, например, при помощи резьбовых соединений. Фиксирующая рамка выполнена в виде профиля П-образного поперечного сечения и имеет упоры для фиксации пружинной вставки в растянутом состоянии.
Фиксирующая рамка состоит из двух шарнирно соединенных частей 4 и 5, на каждом из которых на общей оси 6 закреплены секторы 7 и 8 с отверстиями для фиксации взаимного расположения частей под заданным углом а между ними. Секторы 7 и 8 фиксируются относительно друг друга при помощи пальца 9. В случае отсутствия сектора указанные части связаны посредством шарнира и фиксирующего пальца. Для исключения перекашивания фиксирующей рамки рекомендуется устанавливать сдвоенные пары секторов.
В случае отсутствия шарнира фиксирующая рамка имеет фиксирующие штыри 10 для временного удержания пружин пружинной вставки в исходном положении. В этом случае фиксирующая рамка имеет конфигурацию, совпадающую с конфигурацией поверхности конструкции. Указанных штырей может быть несколько, в зависимости от кривизны и протяженности дефектного участка поверхности конструкции.
В простейшем случае фиксирующая рамка представляет единую деталь, например, цельнометаллический плоский или криволинейный кожух 11. На фигурах штриховой линей условно показан фрагмент конструкции 12 с дефектом 13.
Устройство работает следующим образом.
После сборки пружинной вставки она растягивается до необходимой величины на специальном станке. На пружинную вставку накладывается фиксирующая рамка, которая крепится к лапкам 1. Таким образом, устройство приводится в снаряженное состояние и готово к использованию.
Устройство прикладывается на поверхность элемента конструкции вблизи дефектной области (на окраинах дефектной области), при этом лапки располагаются вне зоны дефекта, далее лапки прочно прикрепляются к конструкции, например, путем сварки, пайки, склеивания и т.д.
Далее удаляются штыри 10 и снимается фиксирующая рамка. При этом пружины пружинной вставки включаются в работу и создают усилия стягивания лапок друг к другу. Усилия через лапки передаются на берега дефектной области, тем самым, в дефектной области снижается концентрация напряжений и предотвращается разрушение элементов конструкции. Далее при необходимости производится герметизация области ремонта.
2
2
def
Пример. Проведено обследование участка стального трубопровода диаметром D=1020 мм с толщиной стенок t=10 мм, работающего под внутренним рабочим давлением p=5,5 МПа (55 кг/см). Внутренний диаметр трубопровода равен d=1000 мм. Выявлено наличие продольной трещины длиной l=10 мм и с максимальной глубиной h=2 мм. Потерянная площадь равна: S=I·h=1,0·0,2=0,2 см.
При этом определили окружные напряжения, действующие в трубопроводе по формуле:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>p</mi><mo>⋅</mo><mi>d</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
Подставив в эту формулу исходные данные (с переводом размерности в см), получили
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>55</mn><mo>⋅</mo><mn>100,0</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>1,0</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2750</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Г</mi><mo>/</mo><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>275</mn><mtext> МПа</mtext></mrow>
.
Определили усилие, необходимое для устранения дефекта по формуле для рассматриваемого примера:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></munder><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>σ</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mstyle></mrow>
.
Подставив исходные данные, получили:
F=2750·0,2=550 кГ=5500 H.
Назначили пружинную вставку, состоящую из 5 винтовых цилиндрических пружин одинаковой жесткости. Усилие, приходящее на 1 пружину равно
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>F</mi><mn>5</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>110</mn><mtext> кГ</mtext><mo>=</mo><mtext>1100 Н</mtext></mrow>
.
1
Выбрали пружины с наружным диаметром 22 мм из проволоки диаметром 4,5 мм. Для данной пружины жесткость одного витка составляет c=750,6 Н/мм. Приняли число рабочих витков m=7. Тогда жесткость одной пружины
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><msub><mrow /><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>m</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>750,6</mn></mrow><mn>7</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>107,23</mn><mtext> мм</mtext></mrow>
.
При β=1,5 получили расчетное значение предварительного растяжения пружинной вставки для компенсации дефектного участка:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mn>1,5</mn><mfrac><mrow><mn>5500</mn></mrow><mrow><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mn>107,23</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>10,26</mn><mtext> мм</mtext></mrow>
Таким образом, способ и устройство позволяют создавать усилия сжатия в дефектной области различных конструкций и снизить уровень концентрации напряжений. Тем самым повышается эффективность задержки развития дефектов, что в конечном итоге позволяет предотвращать разрушение конструкции. При этом упрощается технология ремонта конструкции, снижается затраты ремонтных материалов и энергозатраты, уменьшаются габариты и стоимость устройства. Данная разработка особенно важна для поддержания в работоспособном состоянии действующих трубопроводов разных диаметров и форм сечений.