СПОСОБ ЗАДЕРЖКИ РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ В КОНСТРУКЦИЯХ И УСТРОЙСТВО "ТОКМАЧ" ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO IMPEDE DEVELOPMENT OF DEFECTS IN STRUCTURES AND DEVICE "TOKMACH" FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к ремонту широкого класса конструкций, содержащих элементы и узлы с дефектами, например, на трубопроводах, корпусах машиностроительных конструкций и строительных сооружений, транспортных средств, газгольдеров и на других телах.
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 способы задержки роста усталостных трещин в конструкциях преимущественно со сквозными трещинами, заключающиеся 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. - В23Р 6/00, опубл. 15.04.1994 г.) (аналог).
Недостатком известных способов является необходимость применения сложного механизма, что снижает надежность.
Известен также способ ремонта корпусных деталей с трещинами, в котором 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. - В23Р 6/04, опубл. 10.03.1996 г.) (прототип).
Недостатками указанного способа являются:
а) необходимость применения эксцентрикового механизма усложняет технологию осуществления способа;
б) трудно подобрать необходимые параметры для обеспечения требуемого натяга;
в) в зоне дополнительных отверстий возникают концентраторы напряжений, способствующие случайному разрушению материала;
г) П-образный стяжной элемент существенно выступает над общей ремонтируемой поверхность, увеличивая габариты и создавая помехи для выполнения защитных покрытий.
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.
Задачами (целью) изобретения являются упрощение технологии, повышение эффективности задержки развития дефектов, уменьшение габаритов и стоимости устройства.
Указанные задачи достигаются тем, что в способе задержки развития несквозного дефекта в конструкции, заключающемся в закреплении стяжного элемента на детали конструкции и создании напряжения сжатия для стягивания краев дефектного участка, подготавливают стяжной элемент со стержневой перемычкой, жестко прикрепляют (например, приваривают) на один из краев дефектного участка (трещины) один конец стяжного элемента, обеспечивают упругое удлинение перемычки стяжного элемента путем нагрева без потери упругих свойств материала перемычки стяжного элемента на заданную длину, прижимают к ремонтируемой детали (изделию, телу), жестко прикрепляют (приваривают) другой конец стяжного элемента к другому краю дефектного участка и обеспечивают укорачивание перемычки стяжного элемента за счет упругих сил, например, охлаждают стяжной элемент и создают тем самым усилие стягивания краев дефектного участка конструкций. При использовании электропроводящего (например, металлического) стяжного элемента удлинение нагревом осуществляют путем пропускания электрического тока через перемычку стяжного элемента.
Режим нагрева выбирают исходя из формулы:
,
где Т- максимальная температура нагрева стяжного элемента;
β - коэффициент, определяющий необходимую степень компенсации потери несущей способности;
ν - коэффициент Пуассона для материала стяжного элемента;
σ - напряжение в конкретной точке бездефектной области в районе рассматриваемого дефекта (при отсутствии дефекта) в направлении компенсации действующего усилия;
def
S - площадь дефектной области, перпендикулярной направлению компенсации действующего усилия;
α - температурный коэффициент линейного расширения;
Е - модуль упругости материала стяжного элемента;
F - площадь поперечного сечения стяжного элемента;
os
T - исходная температура стяжного элемента.
Коэффициент, определяющий необходимую степень компенсации потери несущей способности, назначают в пределах от 0,8 до 1,2.
При этом удлинение рабочей части (перемычки) стяжного элемента (накладки) ΔL определяют по формуле:
,
где L - исходная длина рабочей части (перемычки) стяжного элемента.
В частном случае для трубы площадь поперечного сечения F перемычки стяжного элемента определяют из уравнения
,
Θ
где σ - окружные напряжения, действующие в трубе в бездефектной области.
В устройстве для задержки развития несквозного дефекта в конструкции в виде стяжного элемента с перемычкой, опирающейся на поверхность детали, стяжной элемент имеет концевые крепежные лапки и стержневую перемычку и выполнен из упругого электропроводящего материала, а стержневая перемычка выполнена с возможностью пропускания через нее электрического тока. Перемычка стяжного элемента при неизменной толщине в плане выполнена прямоугольной или бочкообразной формы. Перемычка выполнена изогнутой по форме поверхности ремонтируемого изделия.
На фиг.1 представлена общая схема осуществления способа; на фиг.2 показан пример осуществления способа со стяжными элементами с прямоугольной перемычкой, вид сверху; на фиг.3 - стяжной элемент с бочкообразной перемычкой (например, на участке трубопровода); на фиг.4 - стяжной элемент со стержневой перемычкой; на фиг.5 - стяжной элемент со стержневой перемычкой применительно к цилиндрической поверхности; на фиг.6 показана фотография реально изготовленного плоского стяжного элемента.
Способ задержки развития дефектов в конструкциях осуществляют следующим образом. Подготавливают поверхность вблизи дефектной области (коррозионные углубления, трещины, царапины и др.) для закреплении стяжного элемента на поверхности ремонтируемой конструкции, в частности, при необходимости удаляют поверхностное покрытие, продукты коррозии и загрязнения. Подготавливают стяжной элемент преимущественно из материала, близкого к составу ремонтируемого изделия. Например, для стальных трубопроводов берут стяжной элемент из стали. Приваривают или жестко прикрепляют один из концов стяжного элемента на один из краев дефектного участка, например, трещины. Далее обеспечивают упругое удлинение стяжного элемента на заданную длину, тем самым заряжают стяжной элемент потенциальной энергией. Один из вариантов упругого удлинения заключается в том, что нагревают стяжной элемент до заданной температуры, при которой не теряются упругие свойства стяжного элемента.
При использовании стяжного элемента с электропроводящей (например, металлической) перемычкой, удлинение нагревом осуществляют путем пропускания электрического тока через перемычку.
Режим нагрева выбирают исходя из формулы:
,
где Т - максимальная температура нагрева стяжного элемента;
β - коэффициент, определяющий необходимую степень компенсации потери несущей способности;
ν - коэффициент Пуассона для материала стяжного элемента;
σ - напряжение в конкретной точке бездефектной области в районе рассматриваемого дефекта (при отсутствии дефекта) в направлении компенсации действующего усилия;
def
S - площадь дефектной области, перпендикулярной направлению компенсации действующего усилия;
α - температурный коэффициент линейного расширения;
Е - модуль упругости материала стяжного элемента;
F- площадь поперечного сечения стяжного элемента;
os
T - исходная температура стяжного элемента.
В зависимости от ответственности данного узла на существование всей конструкции коэффициент β, определяющий необходимую степень компенсации потери несущей способности, назначают в пределах от 0,8 до 1,2. Величину 0,8 берут для менее ответственных участков конструкций, а величину 1,2 - для наиболее ответственных участков конструкций.
Удлинение рабочей части (перемычки) стяжного элемента ΔL определяют по формуле:
,
где L - исходная длина рабочей части (перемычки) стяжного элемента.
В частном случае для трубы площадь поперечного сечения F перемычки стяжного элемента определяют из уравнения
,
Θ
где σ - окружные напряжения, действующие в трубе в бездефектной области.
После удлинения стяжного элемента прижимают его к ремонтируемой детали (изделию, телу) и приваривают (жестко прикрепляют) другой конец стяжного элемента к противоположному краю дефектного участка. Как варианты, крепежные лапки устройства закрепляют на противоположных от дефекта бездефектных областях детали, например, путем сварки, пайки, склеивания или при помощи крепежных соединений.
После этого отпускают стяжной элемент, тем самым обеспечивают укорачивание перемычки стяжного элемента за счет накопившихся в нем упругих сил и создают напряжения сжатия в области дефекта. При использовании нагревания, например, охлаждают накладку, и создают тем самым усилие стягивания противоположных краев дефектного участка изделия.
Далее проводят защитные мероприятия, в частности наносят герметизирующие покрытия.
Устройство для осуществления способа представляет собой стяжной элемент, имеющий перемычку 1 и крепежные лапки 2, опирающиеся на поверхность детали (конструкции) 3. Стяжной элемент, как правило, выполнен как единое целое из одного упругого электропроводящего материала. Стержневая перемычка выполнена с возможностью пропускания через нее электрического тока. Желательно, чтобы рабочие поверхности лапок 2, которые будут контактировать с поверхностью конструкции 3, повторяли конфигурацию поверхности конструкции.
Если конструкция имеет плоскую поверхность, то рабочая поверхность лапок 2 должна быть плоской. Если конструкция 3 имеет искривленную поверхность (например, цилиндрическая поверхность трубопровода), то рабочая поверхность лапок должна максимально приближаться к конфигурации поверхности конструкции.
В одном из вариантов исполнения перемычка выполнена в виде пластины, изогнутой по форме поверхности ремонтируемого изделия. При неизменной толщине перемычка стяжного элемента в плане может быть или прямоугольной, или иметь бочкообразную форму.
Также стяжной элемент может быть выполнен в виде устройства с концевыми крепежными лапками 4 и 5 и стержневой перемычкой 6. При этом вид стяжного элемента выбирается в зависимости от формы дефектной области 7.
Устройство работает следующим образом.
Устройство прикладывается на поверхность конструкции вблизи дефектной области (на окраинах дефектной области). После нагрева перемычки 1 (6) стяжного элемента и приварки крепежных лап 2 (4 и 5) к ремонтируемой конструкции 3 устройство приводится в заряженное состояние и готово к использованию. После отпускания (охлаждения) стяжного элемента перемычка укорачивается и стягивает противоположные края дефектной области 7. Усилия через лапки передаются на края дефектной области 7 и компенсируют потерянную в дефектной области прочность конструкции. Тем самым, в дефектной области снижается концентрация напряжений и предотвращается разрушение элементов конструкции. Далее при необходимости производится герметизация области ремонта.
Пример.
2
Исследован участок стального трубопровода диаметром D=820 мм с толщиной стенки t=9 мм, работающего под внутренним рабочим давлением р=4,5 МПа (45 кг/см). Внутренний диаметр трубопровода равен d=802 мм. Выявлено наличие несквозного углубления длиной по образующей трубы l=24 мм, шириной b=8 мм и с максимальной глубиной h=3 мм.
def
2
2
Максимальная потерянная площадь по продольной оси трубы равна: S≈63 мм=0,63 см.
Θ
Окружные напряжения σ, действующие в трубе в бездефектной области, определили по формуле:
.
Подставив в эту формулу исходные данные (с переводом линейных размеров в см), получили
.
Определили потерянное за счет дефекта усилие Р для рассматриваемого примера:
.
Подставив исходные данные, получили усилие Р, потерянное за счет дефекта:
Р=2005·0,63=1263,15 кГ=12631,5 Н.
Площадь поперечного сечения F перемычки стяжного элемента определили из уравнения
,
α
где σ - напряжение в перемычке стяжного элемента при температурном нагружении.
os
Задавая величину Т=120° и принимая T=20°, получили величину поперечного сечения F перемычки стяжного элемента
.
Далее задали величину длины перемычки, используя формулу
L=kb,
где k - коэффициент, меняющийся в пределах от 1,2 до 3.
Задавая k=1,5 определили:
L=2·0,8=1,6 см.
Далее определили удлинение перемычки стяжного элемента (значение предварительного удлинения) при нагревании на заданную температуру по формуле:
os
ΔL=αL (T-T).
С учетом известных данных
-6
ΔL=14·10·1,6·(120-20)=0,00224 см=0,0244 мм,
при этом относительная деформация
.
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. Устройства имеют малые габариты, и создают локальные нагрузки сжатия только в области дефекта. При этом упрощается технология ремонта конструкции, снижается затраты ремонтных материалов и энергозатраты, а также стоимость устройства. Данная разработка особенно важна для поддержания в работоспособном состоянии действующих трубопроводов разных диаметров и форм сечений.