ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛА ТРУБ ПРИ ДВУХОСНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Полезная модель относится к области испытания материалов на прочность, трещиностойкость и усталость, в частности, к образцу для испытания металла труб при двухосном напряженном состоянии.
Опыт эксплуатации газо- нефтепроводов показывает, что для поддержания необходимого уровня эксплуатационной надежности трубопроводных систем, требуются многочисленные экспериментально -аналитические исследования, направленные на изучение поведения металла трубопровода под действием различных эксплуатационных нагрузок, влияния не него различных внешних факторов, характера развития дефектов. Поскольку проведение натурных испытаний трудоемко, связано с высокими финансовыми и временными затратами, наиболее распространенным методом получения вышеупомянутых данных являются лабораторные испытания образцов металла.
Известен образец для испытания металла труб при двухосном напряженном состоянии, в котором двухосное напряженное состояние создается за счет проточки, расположенной на внешней поверхности образца. Размеры проточки выбирают в зависимости от требуемого соотношения главных напряжений (см. патент РФ №2073842, G01N 3/08, опубл. 20.02.1997 г). Недостатком данного образца является то, что создание проточки изменяет поверхностные слои металла. Кроме того, при таком способе задания напряженного состояния, невозможно создать однородное поле напряжений как в продольном и поперечном направлении, так и по толщине образца. Эти факторы существенно снижают достоверность получаемых результатов при оценке характеристик металла труб. Таким образом, применением данного образца невозможно добиться напряженно-деформированного состояния (НДС), возникающего в металле трубы при ее нагружении внутренним давлением.
Известен образец для испытания труб на прочность, состоящий из полукольца трубы и жесткой вставки переменной высоты. Изменяя соотношения толщины трубы и толщины вставки подбираются желаемые окружные напряжения в рабочей зоне образца при его одноосном нагружении (см. патент РФ №2174225, G01N 3/08, опубл. 27.09.2001).
Недостатком данного образца является то, что при приложении нагрузки образец начинает работать по изгибной схеме, а эффект возникновения в рабочей части образца растягивающих напряжений, зависящих от определенного соотношения толщин образца трубы и вставки, невозможно экспериментально подтвердить. Еще одним недостатком образца является то, что по толщине образца невозможно создать однородное поле растягивающих напряжений. В результате, при нагружении данного образца, в металле не моделируется требуемое двухосное напряженно-деформированное состояние. Кроме того, по данной методике возможно испытывать только металл труб маленького диаметра.
Известен плоский образец для двухосного нагружения при испытаниях на прочность (патент РФ №2029278С1, G01N 3/10, опубл.20.02.1995). Двухосное нагружение создается в устройстве путем попарного взаимно перпендикулярного захвата образца и задания по каждой из осей требуемой растягивающей нагрузки. Однако при испытании плоских образцов не учитываются особенности изготовления труб (формовка, экспандирование и т.д.), изменяющие свойства металла трубы, а значит, существенно снижается достоверность получаемых данных.
Задачей создания полезной модели является повышение достоверности результатов испытаний путем воссоздания в образце НДС, максимально приближенного к реальным условиям работы металла трубопровода нагруженного внутренним давлением.
Для этого образец выполнен в виде двух сегментов, вырезанных из тела трубы в поперечном направлении, длиной 300 мм и шириной не менее шести толщин испытываемой трубы. К обеим сторонам сегментов приварены пластины толщиной не менее суммарной толщины сегментов. В полость между сегментами установлена вставка с профилем, повторяющим профиль внутренней поверхности сегментов, из хрупкого, неупругого материала, по прочности приблизительно равной прочности металла трубы. Таким материалом может быть закаленная на мартенсит сталь.
При испытании образца на одноосное растяжение в центральной части сегментов моделируется двухосное напряженно-деформированное состояние, аналогичное тому, что возникает при нагружении трубопровода внутренним давлением.
На фиг.1 представлен образец и схема испытания образца из металла труб при двухосном напряженном состоянии.
Из трубы в поперечном направлении вырезают два сегмента 1 длиной приблизительно 300 мм и шириной не менее 6 толщин трубы. К обеим сторонам вырезанных сегментов 1 приваривают металлические пластины 2 толщиной не менее суммарной толщины сегментов 1 для обеспечения захвата образца губками испытательной машины. В полость между сегментами 1 устанавливают специально изготовленную вставку 3, точно повторяющую внутренние контуры сегментов 1. Вставку 3 изготавливают из хрупкого, неупругого материала, по прочности не уступающего металлу испытываемой трубы. Таким материалом может быть закаленная на мартенсит сталь. Образец закрепляют в зажимах испытательной машины и прикладывают растягивающую нагрузку. Благодаря данной конструкции образца, при его растяжении моделируется эффект нагружения сегментов металла 1 в зоне их контакта со вставкой 3 внутренним давлением, в результате чего в центральной части сегментов 1 возникает двухосное напряженно-деформированное состояние, аналогичное тому, которое возникает при нагружении трубопровода внутренним давлением.
Длина сегментов 300 мм обусловлена тем, чтобы при соединении сегментов, вырезанных из труб большого диаметра, вставка в полость между сегментами имела толщину не менее чем в 3-4 раза большую толщины сегментов (для минимизации упругих деформаций вставки). Также длина 300 мм обусловлена тем, чтобы после приварки пластин к краям сегментов, в сегментах оставалась центральная рабочая зона (длиной ≈100 мм), не подверженная влиянию термического цикла сварки.
Ширина сегментов (не менее 6 толщин) обусловлена тем, что, начиная с такой ширины, в центральной (по ширине) части сегментов становятся невозможными деформации сжатия в поперечном направлении (возникающие при одноосном продольном растяжении образца), в результате чего возникают необходимые поперечные растягивающие напряжения.
Длина вставки может варьироваться в широких пределах. Чем больше площадь контакта вставки с сегментами, тем большая часть сегмента работает в условиях требуемого двухосного НДС.
Пример
в
Т
в
Из трубы (сталь 17Г1С-У, ТУ 14-3-602-77, ⌀1220 мм, δ=11 мм, σ=510 МПа, σ=363 МПа) поперек оси были вырезаны 2 сегмента длиной 300 мм, шириной 90 мм. Из высокопрочной стали 30ХГСНА (σ=1600 МПа) была изготовлена специальная вставка, точно повторяющая внутренние контуры сомкнутых друг к другу сегментов (в центральной части, длиной 130 мм).
Собрав и жестко зафиксировав сегменты со вставкой, к обеим сторонам сегментов, для обеспечения их захвата губками испытательной машины, ручной дуговой сваркой электродами марки LB-62D (Япония), диаметром 3,2 мм были приварены пластины размером 90×90 мм, толщиной 23 мм из стали 09Г2ФБ (режим сварки регламентирован действующим СТО Газпром 2-2.2-136-2007). Таким образом, получился образец, растяжение которого приводит к созданию в месте контакта сегментов со вставкой давления, что моделирует нагружение реального трубопровода внутренним давлением.
Для проверки данного предположения были проведены испытания на разрывной машине ЦД-100-ПУ (Германия). В процессе испытаний определялось напряженно-деформированное состояние центральной части сегментов с использованием волоконно-оптических датчиков деформаций. Датчики устанавливались в центральной части обоих сегментов таким образом, чтобы измерять продольные и поперечные деформации сегментов при растяжении.
Данные, полученные оптоволоконными датчиками показали, что одноосное растяжение образца приводит к возникновению в сегментах металла продольных деформаций, соответствующих расчетным создаваемым напряжениям. Датчики, измерявшие поперечные деформации центральной части сегментов показали практически полное их отсутствие. Данный факт говорит о том, что в центральной части сегментов не наблюдается поперечная утяжка, происходящая при растяжении упругих материалов (с этой целью и выбирается большая ширина образца).
В случае двухосного напряженного состояния, напряжения в упругой области описываются соотношениями:
1
2
1
2
где δ - продольные напряжения, δ- поперечные напряжения, ε- продольные деформации, ε- поперечные деформации, µ - коэффициент Пуассона, Е - модуль упругости.
2
1
2
Подставляя в соотношения (1) и (2) измеренные поперечные деформации ε=0, получаем, что в центральной части образца реализуется двухосное напряженное состояние с соотношением σ=µσ, что соответствует распределению продольных и кольцевых напряжений в металле трубопровода при его нагружении внутренним давлением.