СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОПРОЧНОСТИ ПОЛЫХ ОБОЛОЧЕК Российский патент 2006 года по МПК G01N25/58 

Предлагаемое изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, конкретно к способам испытаний полых оболочек, и может быть использовано для оценки термопрочности оболочек из разных материалов, эксплуатируемых в широком диапазоне температур окружающей среды.

Актуальность решаемой проблемы основана на необходимости строгого учета такого важного фактора, ограничивающего эксплуатационные возможности различных конструкций, как стойкость полых оболочек, особенно толстостенных, и выполненных из разнородных (композиционных) материалов, к воздействию резких перепадов температур. Заметную роль этот фактор играет также в случае, если оболочки изготовлены из низкопрочных и хрупких материалов, обладающих плохой теплопроводностью, например из высоконаполненных полимерных материалов, пластмасс или их сочетаний с различными наполнителями.

Известен способ испытания полых оболочек на термопрочность, заключающийся в том, что наружная или внутренняя поверхность оболочки подвергается циклическому, резкому охлаждению или нагреву (тепловому удару), в результате чего возникающие по толщине оболочки термонапряжения, при достаточной их величине и количестве циклов могут привести к разрушению оболочки. Известный способ (ж. Проблемы прочности №3/1990, Киев: Наукова думка, стр.122) используется для экспериментальной оценки термопрочности оболочек, выборочного контроля термопрочности и сравнения по этому показателю различных материалов.

Недостатками известного способа являются:

1. Проблематичность обеспечения достаточных для разрушения оболочки термонапряжений как из-за специфических свойств исследуемых материалов (механической прочности, теплофизических свойств), размеров полых оболочек, так и вследствие различных ограничений по величине внешнего воздействия, обусловленного методическими возможностями или диапазоном допустимых температур эксплуатации исследуемых материалов.

Наряду с этим, в случае очень широкого температурного диапазона эксплуатации физическое состояние материала может меняться от пластического до хрупкого и при испытаниях можно получить разные результаты при одинаковом перепаде температур, но при условии различия исходной и конечной температур.

2. Высока трудоемкость и длительность испытаний, связанная с необходимостью последовательного приближения к предельному перепаду температур, с тем чтобы разрушение происходило в момент достижения максимума напряжений. В противном случае (если испытание ведется при температурном перепаде, заведомо превышающем предельно допустимый) время до разрушения, а следовательно, скорость нагружения будут разными, что приводит к искажению результата.

3. Недостаточная надежность при испытании полых оболочек, когда при максимально возможных перепадах температур (ограничиваемых допустимым температурным диапазоном эксплуатации) упругой энергии в полой оболочке недостаточно для полного разрушения, возникающие же при этом микротрещины и другие дефекты обнаружить трудно.

Известен способ (а.с. СССР №194384, МПК G 01 М 13/00, публ. БИ №08/67 от 27.05.67 г.) определения термических прочностных показателей образцов, в котором образцы подвергают воздействию циклического нагрева в сочетании с нагружением газообразной средой, подаваемой в полость испытуемых образцов, давление которой поддерживают постоянным в течение всего эксперимента.

Недостаток известного способа заключается в высокой трудоемкости и длительности получения информации о состоявшемся факте разрушения исследуемых образцов.

Известен в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому способ определения термопрочности образцов (патент РФ №2170917, МПК G 01 N 3/00, публ. 20.07.01, БИ №22/01), включающий циклическое охлаждение или нагрев наружной поверхности их путем перемещения исследуемых полых оболочек из среды в среду, характеризующихся разными температурами с последовательным увеличением величины температурного перепада до момента регистрации факта нарушения целостности полых оболочек, проведение визуального контроля.

Недостатком прототипа является то, что в способе не предусмотрена возможность эффективного и оперативного определения факта нарушения целостности исследуемых полых оболочек из разнородных материалов и определения их термопрочности. Кроме того, известный способ не позволяет определить надежно факт разрушения полых оболочек для случая, когда материал таких оболочек не разрушается при заданном максимальном перепаде температур.

Задачей авторов изобретения является разработка способа эффективного определения целостности полых оболочек из разнородных материалов и надежной оценки термопрочности оболочек из разных материалов, эксплуатируемых в широком диапазоне температур окружающей среды.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в повышении эффективности способа за счет обеспечения оперативного и точного установления факта нарушения целостности полых оболочек из разнородных материалов и возможности определения величины термопрочности двух или более одинаковых по конфигурации и размерам полых оболочек, отличающихся по прочностным свойствам, при условии наложенных на максимальную величину температурного перепада ограничений, обусловленных условиями эксплуатации, характеризующимися различными температурами.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе определения термопрочности полых оболочек, включающем циклическое охлаждение или нагрев наружной поверхности их путем перемещения исследуемых полых оболочек из среды в среду, характеризующихся разными до момента регистрации факта нарушения целостности полых оболочек температурами, проведение визуального контроля, в соответствии с предлагаемым способом испытанию подвергают партию образцов полых оболочек, выполненных из разнородных материалов, выдержку которых в средах, характеризующихся разными температурами и последовательным увеличением величины температурного перепада, сочетают с поэтапным формированием общего для партии испытуемых полых оболочек возрастающего гидравлического нагружения по их внутренней поверхности, а по результатам регистрации факта нарушения целостности полых оболочек и их визуального контроля судят о сравнительной стойкости испытуемых полых оболочек из разнородных материалов к действию температурных перепадов.

Предлагаемый способ поясняется следующим образом.

Исследуемые образцы полых оболочек, выполненных из разнородных материалов, подвергают комплексным испытаниям, как это предусмотрено и в прототипе, однако предлагаемый способ осуществляют в условиях циклического воздействия постоянно возрастающих температур, доведенных до таких критических величин, при которых начинают разрушаться материалы полых оболочек, характеризующиеся различным составом. Для создания надежных условий, чтобы такое разрушение полых оболочек состоялось, воздействие контролируемого внутреннего нагружения в полости оболочек осуществляют после того, как перепад температур, вызванный резким охлаждением или нагревом, а следовательно, и соответствующие этому нестационарные температурные напряжения растяжения в полости оболочек достигнут максимального значения. При этом происходит компенсация недостающих для разрушения полых оболочек термонапряжений механической нагрузкой, подбираемой экспериментально по принципу постоянного наращивания величины воздействующего нагружения исследуемых образцов.

Такой подход в отличие от прототипа в предлагаемом способе обеспечивает возможность сравнивать несущую способность полых оболочек, выполненных из разнородных материалов и обладающих специфическим набором свойств, даже в том случае, если заданный перепад температур недостаточен для разрушения каких-либо оболочек из числа сравниваемых. Кроме того, существенно упрощается эксперимент и процесс определения прочностных показателей, т.к. взамен многократных испытаний полых оболочек путем последовательного повышения перепада температур с выходом на максимум достаточно проведение однократного испытания при заранее выбранном перепаде, несколько меньшем, чем разрушающий перепад для наименее термопрочной полой оболочки из числа исследуемых на каждом необходимом этапе.

Предлагаемый способ повышает также надежность эксперимента, т.к. наличие в оболочке механических напряжений под действием внутреннего давления увеличивает запас упругой энергии в полых оболочках, благодаря чему развитие трещин от температурного перепада будет проходить более интенсивно, в результате чего возрастает надежность выявления факта разрушения исследуемых образцов.

На чертеже изображена зависимость «напряжение-время», где введены следующие обозначения:

σТ_max - максимальное температурное напряжение при заданном температурном перепаде;

Р_р - разрушающее давление, МПа;

Р_о - начало нагружения внутренним давлением;

τ_m - время, соответствующее достижению максимальных температурных напряжений;

τ_р - время, соответствующее моменту разрушения полой оболочки при совместном действии температурных напряжений и внутреннего давления.

Воздействуя на оболочку заданным перепадом температур и измеряя (например, с помощью тензометров) возникающие на наружной поверхности деформации, которые пропорциональны термонагрузке (участок ОА), определяют ее максимум (по прекращению прироста деформации), после чего с заранее выбранной скоростью, постоянной для всех испытуемых оболочек, нагружают внутреннюю поверхность оболочки давлением (участок АС), фиксируя момент разрушения по величине падения нагрузки и быстрому спаду деформаций.

Как видно из диаграммы (см. чертеж), для чисто температурного нагружения (кривая ОАВ) в районе максимума величина термонагрузки в течение продолжительного времени изменяется незначительно. Это позволяет в большинстве случаев без особых трудностей провести нагружение внутренним давлением при практически постоянной величине термонапряжений.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет достигнуть более высокой эффективности определения термопрочности за счет обеспечения оперативного и точного установления факта разрушения полых оболочек из разнородных материалов и обеспечивает возможность определения величины термопрочности двух или более одинаковых по конфигурации и размерам полых оболочек, при условии наложенных на максимальную величину температурного перепада ограничений, обусловленных условиями эксплуатации, характеризующимися различными температурами, по сравнению с прототипом.

Возможность промышленной реализации предлагаемого способа может быть подтверждена следующим примером реализации.

Пример. В лабораторных условиях была подвергнута испытаниям партия полых оболочек (10 единиц), выполненных из прессованных порошкообразных материалов (кристаллической циануровой кислоты) со связующим из фторопласта марки 32Л, с переменным (через 0,5%) содержанием указанных компонентов в соотношении от 90:10 до 95:5 соответственно. Образцы в виде полых оболочек были подвергнуты воздействию температурного перепада Δ=100°С, после чего не было зарегистрировано факта разрушения образцов. Далее образцы вновь были подвергнуты комплексному воздействию температурного перепада Δ=100°С (общему для всех испытуемых образцов) при постоянном нарастании давлении от этапа к этапу посредством подачи жидкой среды, подаваемой внутрь оболочек, до полного разрушения всех образцов исследуемой партии.

При этом факт разрушения образцов на каждом этапе регистрировали при следующих величинах давления:

Р=2,0 МПа, на данном этапе разрушилось 2 исследуемых образца;

Р=2,2 МПа - 3 образца;

Р=2,4 - 3 образца (МПа)

Р=2,6 - 2 образца, после чего был зарегистрирован факт разрушения всех испытуемых образцов партии (МПа).

Эти данные испытаний были положены в основу шкалы величин разрушения (термопрочности) каждого материала конкретного сравниваемого образца исследуемой партии.

Как показали экспериментальные исследования предлагаемого способа, его применение обеспечивает повышение эффективности способа за счет обеспечения оперативного и точного установления факта разрушения целостности полых оболочек из разнородных материалов и возможности определения величины термопрочности двух или более одинаковых по конфигурации и размерам полых оболочек, при условии наложенных на максимальную величину температурного перепада ограничений, обусловленных условиями эксплуатации, характеризующимися различными температурами.

Использование - в области измерительной техники. Способ включает циклическое охлаждение или нагрев наружной поверхности путем перемещения исследуемых полых оболочек из среды в среду, характеризующихся разными температурами до момента регистрации факта нарушения целостности полых оболочек, проведение визуального контроля. Испытанию подвергают партию образцов полых оболочек, выполненных из разнородных материалов, выдержку которых в средах, характеризующихся разными температурами и последовательным увеличением величины температурного перепада, сочетают с поэтапным формированием общего для партии испытуемых полых оболочек возрастающего гидравлического нагружения по их внутренней поверхности. По результатам регистрации факта нарушения целостности полых оболочек и их визуального контроля судят о сравнительной стойкости испытуемых полых оболочек из разнородных материалов к действию температурных перепадов. Технический результат - повышение эффективности способа за счет обеспечения оперативного и точного установления факта разрушения целостности полых оболочек из разнородных материалов. 1 ил.

Способ определения термопрочности полых оболочек, включающий циклическое охлаждение или нагрев их наружной поверхности путем перемещения исследуемых полых оболочек из среды в среду, характеризующихся разными температурами до момента регистрации факта нарушения целостности полых оболочек, проведение визуального контроля, отличающийся тем, что испытанию подвергают партию образцов полых оболочек, выполненных из разнородных материалов, выдержку которых в средах, характеризующихся разными температурами и последовательным увеличением величины температурного перепада, сочетают с поэтапным формированием общего для партии испытуемых полых оболочек возрастающего гидравлического нагружения по их внутренней поверхности, а по результатам регистрации факта нарушения целостности полых оболочек и их визуального контроля судят о сравнительной стойкости испытуемых полых оболочек из разнородных материалов к действию температурных перепадов.