ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛА ТРУБ ПРИ ДВУХОСНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/08 

Предлагаемое изобретение относится к области исследования прочностных свойств материалов, а именно к образцам для испытания металла труб при двухосном напряженном состоянии.

Известен трубчатый тонкостенный образец для оценки прочностных свойств металла труб при двухосном напряженном состоянии, при нагружении которого внутренним гидравлическим давлением в стенке образца возникает двухосное напряженное состояние, которое можно регулировать в широком диапазоне соотношений напряжений путем дополнительного нагружения образца осевой силой или крутящим моментом [1]
Недостатком таких трубчатых образцов является то, что регулировка соотношением главных напряжений в них не может быть осуществлено по схеме одноосного нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение), так как посредством внутреннего давления возможно достижение двухосного напряженного состояния в стенке трубчатого образца с соотношением σ₂/σ₁=0,5, а для изменения этого соотношения необходимо дополнительно нагрузить образец либо осевым усилием (растяжение, сжатие), либо крутящим моментом. Это в свою очередь сопряжено с большими техническими трудностями, так как помимо использования сложных гидравлических установок большой мощности для создания внутреннего давления, эти установки должны быть оснащены механизмом создания осевого усилия (или крутящего момента).

Недостатком этих трубчатых образцов является также то, что их форма и размеры (как правило применяются тонкостенные малогабаритные образцы) не моделируют натурную толщину стенки и кривизну реальной трубы, что существенно снижает точность оценки прочностных свойств металла трубы. Увеличение же толщины стенок трубчатых образцов приводит к искажению однородности напряженного состояния и возникновению радиальной компоненты напряжений. При испытании трубчатых образцов не представляется возможным оценить влияние анизотропии свойств реальной трубы, а также всего комплекса технологической наследственности трубы (поверхностный наклеп, наличие остаточных напряжений, различие свойств по толщине стенки и т.д.), что также снижает точность испытания.

Известен образец для оценки прочности металла труб при двухосном напряженном состоянии, представляющий собой разрезное кольцо, вырезанное непосредственно из трубы, с выемкой, расположенной на внешней поверхности образца параллельно образующей трубы. При пластическом одноосном растяжении образца на дне выемки возникает двухосное напряженное состояние с соотношением главных напряжений σ₂/σ₁=0,5 (2)..

Главным преимуществом известного образца является то, что он представляет собой часть реальной трубы и то, что двухосное напряженное состояние в его рабочей зоне возникает при одноосном нагружении образца.

Недостаток известного образца заключается в невозможности регулирования соотношением главных напряжений, что снижает точность испытания, поскольку не обеспечивает эксплуатационных условий. На практике ввиду многообразия встречающихся эксплуатационных условий диапазон реализуемых соотношений главных напряжений в трубах достаточно широк. Так, например, соотношение напряжений в металле обсадных труб, испытывающих воздействие внутреннего давления и осевой растягивающей нагрузки, может приближаться к значению σ₂/σ₁=1. Соотношение напряжений в металле магистрального трубопровода, проложенного под землей, также превышает величину 0,5 вследствие защемленности трубы грунтом. Кроме того существенным недостатком образца является то, что двухосное напряженное состояние в его рабочей зоне реализуется только в области пластических деформаций; при упругом нагружении образца двухосность напряжений получить не удается. Так как большинство эксплуатационных разрушений труб наблюдается при работе металла в области упругих деформаций для достоверной оценки прочности металла труб необходима информация о поведении металла при двухосном напряженном состоянии именно в упругой области.

Таким образом, известный образец не обеспечивает точность при определении прочности металла труб из-за невозможности реализовать соотношение главных напряжений больше чем σ₂/σ₁=0,5,, а также из-за невозможности проведения испытаний в области упругих деформаций.

Задачей предложенного технического решения является приближение условий испытания к эксплуатационным, т. е. повышение точности испытаний металла труб.

Решение этой задачи обеспечивается возможностью регулирования двухосным напряжением состоянием в широком диапазоне соотношений главных напряжений при одноосном нагружении образца.

Для достижения этого технического результата в известном образце, состоящем из разрезного кольца с выемкой, расположенной на внешней поверхности образца, выемка выполнена в виде кольцевой проточки симметрично относительно ширины образца, глубина и ширина которой выбирается из условия обеспечения соотношения в центральной части образца, соответствующего напряженному состоянию трубы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

При нагружении образца двум радиальными силами оно упруго деформируется и его первоначальная форма искажается, а изменение диаметра при этом определяется по формулам, известным из курса "сопротивления материалов". Причем, для двух образцов из одного материала, равных диаметров, нагруженных одинаковым усилием, изменение диаметра больше у образца, жесткость которого меньше, то есть толщина которого меньше.

При деформировании образца имеющего переменное сечение такой конфигурации, как в предлагаемом образце, его центральная часть, толщина которой уменьшена проточкой, стремится изменить свой диаметр в большой степени, чем утолщенные краевые участки, которые будут препятствовать изменению диаметра центральной части образца. В результате, учитывая, что при нагружении разрезного кольца переменного сечения разрыва непрерывности не происходит, у стыков центральной части образца с краевыми участками должны возникнуть изгибающие моменты, распределенные по окружности кольца, которые и являются причиной возникновения двухосного напряженного состояния. При этом степень двухосности, то есть соотношение главных напряжений в центральной части образца будут определяться величиной и взаимным влиянием изгибающих моментов, которые в свою очередь будут зависеть от отношения жесткостей центральной части и краевых участков образца, то есть от размеров проточки.

Таким образом, при упругом нагружении образца в виде разрезного конца с проточкой, расположенной на его внешней поверхности симметрично относительно ширины образца, в его центральной части возникнет двухосное напряженное состояние, степень которого можно регулировать путем изменения размеров проточки, а именно, ее глубины и ширины.

Экспериментально установлено, что соотношение главных напряжений в центральной части образца, вырезанного из конкретной трубы, зависит от глубины и ширины проточки, причем с увеличением глубины проточки соотношение кольцевых и продольных напряжений σ₁/σ₂ уменьшается, а с увеличением ширины проточки это соотношение увеличивается. Объясняется это тем, что в первом случае жесткость центральной части образца уменьшается, что приводит к возрастанию продольных напряжений по сравнению с кольцевыми; во втором же случае увеличение расстояния между утолщенными краевыми участками приводит к тому, что по аналогии с оболочкой, усиленной двумя упругими кольцами и нагруженной внутренним давлением, изгиб у стыков центральной части с краевыми участками будет носить местный характер и его влияние на центральную часть образца при этом уменьшается.

В результате проведения исследований на предлагаемых образцах с проточкой, вырезанных из труб различных типоразмеров с различными размерами проточек была получена зависимость степени двухосности от отношения жесткостей центральной части и краевых участков образца. Согласно полученной зависимости подбором глубины и ширины проточки, то есть изменением отношения жесткостей центральной части и краевых участков образца, можно добиться получения требуемого соотношения главных напряжений, что позволяет повысить точность испытаний при определении прочности металла труб.

Образец может быть использован при исследовании прочностных свойств материалов труб с получением технического результата, заключающегося в возможности регулирования двухосным напряжением состоянием в широком диапазоне соотношений главных напряжений при одноосном нагружении образца, что позволяет сделать ввод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен заявляемый образец; на фиг.2 график зависимости соотношений главных напряжений в образце от отношения жесткостей центральной части и краевых участков образца для труб разного диаметра. Кривая 1 для трубы радиусом R 200 мм; кривая 2 для трубы радиусом R 300 мм; кривая 3 для трубы радиусом R 500 мм; на фиг. 3 график зависимости ширины утолщенных краевых участков образца от куба отношения толщины образца к толщине его центральной части.

Образец представляет собой разрезное кольцо 1 из части испытуемой трубы с кольцевой проточкой 2, расположенной на наружной поверхности образца на равных расстояниях от краев. Зона кольцевой проточки 1 является центральной частью образца, с обеих сторон к которой примыкают утолщенные краевые участки. Глубина проточки t является заданной величиной, а ее ширина а выбрана из зависимости

где b^* приведенная ширина утолщенных краевых участков образца, обеспечивающая получение заданного соотношения напряжений;
λ отношение жесткостей утолщенного краевого участка и рабочей части образца, обеспечивающая получение заданного соотношения напряжений;
Н толщина стенки трубы;
t глубина проточки;
n коэффициент Пауссона.

Испытания металла труб на предлагаемом образце осуществляют следующим образом.

Например, необходимо испытать стальную обсадную трубу радиусом R 200 мм и толщиной стенки Н 8 мм на усталостную прочность. Эксплуатационные условия, в которых находится обсадная труба в скважине, соответствуют нагружению трубы одновременно внутренним давлением и осевой растягивающей силой с двухосным напряженным состоянием s₁/σ₂=1,0 Исходя из этих условий определим геометрические размеры образца, вырезаемого из обсадной трубы, и его позволяющие получить в его центральной части двухосное напряженное состояние с соотношением напряжений σ₁/σ₂=1,0 Выбрав глубину проточки 2 равной 2 мм (глубина проточки выбирается произвольно, при этом диапазон выбора расширяется с увеличением исходной толщины образца. Однако, на практике следует стремиться использовать небольшую глубину проточки с тем, чтобы в более полной мере, сохранить состояние поверхностных слоев трубы), определяем из экспериментально полученной зависимости, приведенной на фиг.3, приведенную ширину утолщенного краевого участка образца, которая в данном случае составит 17 мм, так как куб соотношения толщины утолщенных краевых участков и центральной части образца равен Из графика фиг.2 определяем отношение 1 жесткостей центральной части образца и его утолщенных краевых участков при двухосном напряженном состоянии с соотношением главных напряжений 1,0 Из этого отношения определяем недостающий параметр образца ширину а проточки.

,
где Е модуль упругости;
I момент инерции;
D цилиндрическая жесткость;
a ширина проточки образца;
b^* приведенная ширина утолщенных краевых участков образца, обеспечивающая получение заданного соотношения напряжений;
Н толщина стенки трубы;
t глубина проточки образца;
ν коэффициент Пуассона равный для стали 0,3.

Общая ширина образца в данном примере будет равна сумме ширины проточки и удвоенной ширины утолщенных краевых участков В а + 2b^* 17,6 + 34 51,6. Уменьшение ширины образца за счет сокращения ширины краевых участков недопустимо, так как приводит к изменению соотношения главных напряжений в центральной части образца. В то же время увеличение ширины краевых участков сверх приведенного значения b^* и соответственное увеличение общей ширины образца не сказывается на соотношении напряжений и поэтому является несущественным признаком.

Из обсадной трубы вырезают образец с выбранными выше параметрами и на нем осуществляют испытания.

В процессе испытания к образцу прикладывают одноосное усилие Р (см.фиг. 1) в результате чего образец упруго деформируется и в его центральной части возникает двухосное напряженное состояние с соотношением главных напряжений σ₁/σ₂=1,0,, причем в том случае, когда прикладываемое усилие является как показано на фиг. 1 сплошной линией сжимающим в центральной части образца возникает двухосное напряженное состояние с растягивающими компонентами, а когда прикладываемое усилие растягивающее (на фиг.1 указано пунктиром) в центральной части образца возникает двухосное напряженное состояние со сжимающими компонентами. В процессе испытания осуществляют наблюдение за образованием и ростом трещины как в глубь образца, так и по его поверхности. Испытание прекращают по мере достижения трещиной предельно допустимых размеров, определяемых известными требованиями линейной механики разрушения. Образец доламывают механически и по глубине и длине трещины судят об усталостной прочности металла трубы, из которой вырезан образец.

Нагружение образца при испытании осуществляют на любой стандартной установке малой мощности, работающей по схеме одноосного нагружения, а нагружающее усилие определяют по тарировочному графику для каждого конкретного образца, в котором указана зависимость между нагружающим усилием и возникающим напряжением.

Так как данный образец является частью натурной трубы, а его выполнение и размеры при испытании позволяют получить в центральной части двухосное напряженное состояние соответствующее тому, которое возникает в металле трубы при ее эксплуатации в скважине, то обеспечивается высокая точность и достоверность оценки усталостной прочности металла трубы.

Аналогичным образом подбирая глубину и ширину проточки предлагаемого образца, можно обеспечить в центральной части образца при испытании напряженное состояние с соотношением главных напряжений σ₁/σ₂=2,0; σ₂/σ₁=2,5 и т. д. соответствующее другим эксплуатационным условиям металла трубы разных размеров (см.фиг.2).

Сущность изобретения: образец выполнен из части испытуемой трубы в виде разрезного кольца. Концы кольца предназначены для нагружения образца. Образец предназначен для нагружения усилиями, направленными по одной оси. Рабочая часть образца выполнена в виде проточки на его наружной поверхности. Глубина проточки t - заданная величина, а ее ширина а выбрана из зависимости

где b^* - приведенная ширина утолщенных краевых участков образца, обеспечивающая получение заданного соотношения напряжений; λ - отношение жесткостей утолщенного краевого участка в рабочей части образца, обеспечивающие получение заданного соотношения напряжений, Н - толщина стенки трубы, t - глубина проточки, n - коэффициент Пуанссона. 3 ил.

Образец для испытания металла труб при двухосном напряженном состоянии, выполненный из части испытуемой трубы в виде разрезного кольца, концы которого предназначены для нагружения образца усилиями, направленными по одной оси, а рабочая часть выполнена в виде расположенной на его наружной поверхности выемки, отличающийся тем, что выемка представляет собой проточку, кромки которой расположены на равных расстояниях от краев образца, при этом глубина t проточки заданная величина, а ее ширина а выбрана из зависимости

где b^* приведенная ширина утолщенных краевых участков образца, обеспечивающая получение заданного соотношения напряжений;
λ соотношение жесткостей утолщенного краевого участка и рабочей части образца, обеспечивающие получение заданного соотношения напряжений;
H толщина стенки трубы;
n коэффициент Пуассона.