СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИЛИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, ВО ВРЕМЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК F16L57/00 G01M17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к испытательной технике, а также к средствам обеспечения надежности и безопасности изделий, работающих под внутренним давлением: сосудов и трубопроводов давления, в частности объектов энергетики (атомной, тепловой), тормозных систем транспортных средств, газо-, нефтепроводов, продуктопроводов, объектов нефтехимической промышленности и др.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое число средств для проведения гидравлических и пневматических испытаний.

В качестве прототипа выбран известный способ гидравлических или пневматических испытаний сосудов (трубопроводов) давления (ПНАЭГ-7-008-89. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. - М.: Информационный бюллетень Росатомнадзора, 3(10) 1989, стр.49-60), по которому с периодичностью, установленной эмпирическим путем и определяемой действующими нормативными документами сосуды и трубопроводы, работающие под давлением, нагружают давлением воды или воздуха Р_и, превышающим рабочее давление Р_р на величину приблизительно К=1,25Р_р, выдерживают сосуды и трубопроводы под давлением не менее 10 минут, после чего давление снижают и проводят осмотр сосудов (трубопроводов) давления в течение времени, необходимого для осмотра. Давление нагружения выбирают на основе действующих нормативных документов (в нормативных документах величины давлений указаны на основании сложившейся практики). Сосуды и трубопроводы считаются выдержавшими гидравлические (пневматические) испытания, если в процессе испытаний и при осмотре не обнаружено течей и разрывов металла, в процессе выдержки падение давления не выходило за пределы, указанные в нормативных документах, а после испытаний не выявлено новых остаточных деформаций.

Нормативными документами (например, ПНАЭГ-7-008-89) устанавливается жесткая периодичность испытаний, например, в атомной энергетике - каждые 4 года.

Недостаток известного способа состоит в том, что короткие интервалы между испытаниями приводят к ускорению накопления в изделии усталостных повреждений и снижают экономические показатели объекта, где проводят испытания.

Задачей данного изобретения является повышение эксплуатационных и экономических показателей изделий, работающих под давлением.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в увеличении интервалов времени между испытаниями (увеличение периодичности испытаний) без снижения достигнутого уровня надежности и безопасности эксплуатации изделия.

Раскрытие изобретения

Задача данного изобретения - увеличить интервал между ГИ до величины И_ув без снижения надежности (безопасности) изделия, достигнутого при существующем интервале И_сущ, (И_ув>И_сущ).

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в том, чтобы увеличить интервалы между ГИ без снижения достигнутого уровня надежности и безопасности эксплуатации изделия.

Данный технический результат достигается тем, что способ гидравлических или пневматических испытаний изделий, работающих под давлением, во время их эксплуатации состоит в том, что изделия периодически нагружают давлением испытания жидкости или газа, превышающим рабочее давление эксплуатации, выдерживают под давлением испытания, после чего давление снижают и проводят контроль изделий на предмет целостности и остаточных деформаций, при этом по известному напряженно-деформированному состоянию изделия в режиме нормальных условий эксплуатации определяют критические размеры дефектов сплошности материала изделия, задают увеличенный интервал И_ув периодичности испытаний, для упомянутого интервала И_ув определяют величину Δχ=χ_нуэ-χ_и, где χ_нуэ - размеры критических дефектов в режиме нормальных условий эксплуатации, а χ_и - размеры критических дефектов в режиме испытаний, по величинам Δχ и χ_и определяют условия (давление Р и температуру t) проведения испытаний, которые обеспечили бы в изделии критические размеры дефектов не выше, чем χ_и=χ_нуэ-Δχ.

Выбранный интервал времени И_ув между испытаниями будет безопасным, так как разрушение трубопровода или сосуда в режиме нормальных условий эксплуатации в этом случае становится невозможным, если испытания с повышенным давлением прошли успешно. Если же в режиме испытаний появятся признаки разрушения (течи, надрывы и т.п.), то надо отремонтировать поврежденный участок и повторить испытания.

Краткое описание чертежей

На ФИГ.1 представления характеристика напряженно-деформированного состояния трубопровода.

На ФИГ.2 показано расположение подповерхностных трещин в сосуде давления, продольная трещина шириной 2а и длиной 2с.

На ФИГ.3 показано расположение подповерхностных трещин в сосуде давления, кольцевая трещина шириной 2а и длиной 2с.

На ФИГ.4 показаны трещины критических размеров в локальном объеме металла изделия при нормальных условиях эксплуатации и в режиме испытаний.

На ФИГ.5 показаны семейства всех возможных поперечных подповерхностных трещин критических размеров в режиме испытаний и рабочем режиме.

Осуществление изобретения

Гидравлические или пневматические испытания на прочность широко используются в практике эксплуатации для проверки прочности и плотности сосудов и трубопроводов, их деталей и сборочных единиц, нагружаемых давлением.

Испытания проводят:

- после изготовления предприятием-изготовителем оборудования или элементов трубопроводов, поставляемых на монтаж;

- после монтажа оборудования и трубопроводов;

- в процессе эксплуатации оборудования и трубопроводов, нагружаемых давлением воды, пара и пароводяной смеси или других жидкостей и газов.

Допускается вместо гидравлических испытаний проводить пневматические испытания оборудования и трубопроводов, нагружая их давлением газа.

Из механики разрушения известно, что нестабильное (быстрое лавинообразное разрушение, которое уже невозможно остановить) разрушение наступает в момент достижения дефектом сплошности критических размеров. Любой дефект консервативно можно смоделировать трещиной, а любую трещину можно описать эллипсом с полуосями: короткой а и длинной с. Чем выше давление и ниже температура, тем меньше критические размеры χ трещин.

Семейство трещин - это совокупность всех возможных трещин в данном элементе конструкции в том числе: по ориентации и по месту расположению в данном элементе конструкции, по размерам, по форме. Для данного конкретного нагружения в данном семействе трещин можно выделить две части: трещины, не приводящие к разрушению для данного нагружения, и трещины, которые приводят к разрушению. Границей между этими совокупностями трещин являются трещины критического размера. Семейство трещин критического размера - это совокупность всех возможных трещин критического размера по типам: по ориентации и по месту расположения в данном элементе конструкции, по форме. Если выделить трещины критического размера, плоскость которых проходит поперек цилиндрической части сосуда давления или трубопровода, то такую трещину можно назвать поперечной (или тангенциальной), если плоскость трещины проходит через осевую линию трубопровода или сосуда давления, то такая трещина называется осевой. На ФИГ. 2 и 3 представлены схемы расположения подповерхностных трещин в сосуде давления. Так как в сосуде давления или трубопроводе стенки находятся при плоском напряженном состоянии с главными напряжениями, ориентированными вдоль оси или в тангенциальном направлении, то всю возможную совокупность трещин критических размеров можно схематизировать осевыми и поперечными трещинами (на ФИГ.2 и 3 показаны продольная трещина шириной 2a₁ и длиной 2с1 и поперечная (тангенциальная) трещина с шириной 2а₂ и длиной 2с₂, S - толщина стенки сосуда, D - внутренний диаметр сосуда давления (трубопровода)) и графически представить в координатах а; с (ФИГ.5). При этом соотношение между размерами а-критическое и с-критическое такое, что чем больше, а тем меньше с и наоборот (эти зависимости известны из механики разрушения). Кроме того, чем выше уровень нагрузки, тем меньшие размеры критических трещин (ФИГ.4).

Во время эксплуатации трещины могут подрастать и увеличивать свои размеры. На ФИГ.5 изображено развитие трещины во времени:

трещины представленные кривой 3 через определенной время эксплуатации подрастут и займут положение, представленное кривой 4.

Размеры всех критических трещин зависят от величины нагрузки, например давления. На ФИГ.5 приведены кривые семейств трещин критических размеров поперечных (тангенциальных) трещин при различных давлениях. Кривая 1 соответствует меньшему давлению, чем давление, для которого построена кривая 3. Из ФИГ.5 наглядно видно - чем выше давление, тем меньше размеры критических трещин.

Если условия нагружения в режиме испытаний и рабочем режиме эксплуатации таковы, что размеры критических трещины в режиме испытаний меньше, чем в рабочем режиме, то в этом случае испытания обеспечивают безопасность последующей эксплуатации. Если же в режиме испытаний критические размеры трещин (всех или части из всей возможной совокупности семейств трещин) равны или превышают критические размеры трещин в рабочем режиме эксплуатации, то в этом случае испытания не обеспечивают полную безопасность последующей эксплуатации (безопасность по критерию разрыва), т.е. в этом случае имеется вероятность частичного или полного разрушения элемента конструкции.

Таким образом, для того чтобы испытания обеспечивали безопасность последующей эксплуатации, давление и температура должно быть выбрано такими, чтобы все возможные трещины критических размеров во время испытаний были меньше всех возможных трещин критических размеров в рабочем режиме (такая ситуация указана на ФИГ.5, кривые 1 и 3). При этом чем больше расстояние между размерами критических трещин в рабочем режиме и режиме испытаний, тем на более длительный срок эксплуатации обеспечивается безопасность.

При этом важное значение имеет то, что в режиме испытаний изделие (сосуд или трубопровод) не разрушились. Такие успешно проведенные испытания означают, что в испытываемой конструкции отсутствуют трещины, размеры которых больше или равны размерам трещин критических размеров в режиме испытаний. Но в тоже время в конструкции могут присутствовать трещины меньших размеров, в том числе и как угодно близкие к критическим размерам в режиме испытаний. Однако для режима рабочей эксплуатации эти трещины не опасны.

Во время эксплуатации трещины могут подрастать. Однако до тех пор, пока размеры трещин будут меньше критических размеров трещин в рабочем режиме эксплуатации, возможность разрушения исключена. Но как только эти трещины достигнут критических размеров в рабочем режиме эксплуатации, может произойти разрушение.

Таким образом, время, в течение которого семейство трещин критического размера в режиме испытаний может подрасти до критических размеров в рабочем режиме (т.е. при нормальных условиях эксплуатации), является временем безопасной эксплуатации. Исходя из этого интервал времени И до следующих испытаний, обеспечивающий полную безопасность, определяется как время подрастания трещин семейства трещин критических размеров, соответствующих давлению в режиме испытаний, до размеров трещин семейства критических трещин, соответствующих режиму нормальных условий эксплуатации.

Во время эксплуатации дефекты будут расти. Механизм роста может быть различным в зависимости от условий эксплуатации. Если превалирует рост дефектов под действием циклических нагрузок, то в этом случае можно использовать уравнение типа:

$$\frac{da}{dN}=C\cdot {\left(\frac{\Delta K_1}{\sqrt{1-R}}\right)}^m$$ ,

в котором:

С и m - постоянные, зависящие от материала и условий эксплуатации;

R - коэффициент асимметрии цикла, для цилиндра давления равен 0;

ΔK₁ - размах коэффициента интенсивности напряжений.

Коэффициент интенсивности напряжений при неоднородном распределении напряжений в районе трещины определяют по уравнению:

K₁=Y∗σ_кр∗(а/1000)^0,5,

где

Y=(2-0,82(a/c))/[1-(0,89-0,57(a/c)^0,5)³(a/c)^1,5]^3,25,

$${\sigma }_{кр}=\mathrm{0,61}{\sigma }^A+\mathrm{0,39}{\sigma }^B+\left[\mathrm{0,11}\left(a/c\right)-\mathrm{0,28}\left(a/s\right)\left(1-{\left(a/c\right)}^{\mathrm{0,5}}\right)\right]\left({\sigma }^A-{\sigma }^B\right),\left(5\right)$$

где

σ^A - напряжение в вершине трещины;

σ^B - напряжение на поверхности детали в корне трещины.

Для частного случая $$Y=1.12\sqrt{\pi }$$ .

Интегрируя приведенной выше выражение, его можно представить в виде:

$$N={\displaystyle \underset{a_0}{\overset{a_k}{\int }}1/C}\cdot {\left(\frac{\Delta K_1}{\sqrt{1-R}}\right)}^{m}da$$

Подставляя в выражение предыдущие выражения и решая его относительно начального размера трещины а₀=а_ги, можно определить подрост трещины Δa_N под воздействием N циклов нагружения, то есть за время И_ув.

Определяя указанным способом подрост дефектов для верхней, средней и нижней частей кривой 1 (ФИГ.5), определим положение критических размеров дефектов в режиме испытаний (кривая 2 на ФИГ.5).

Напряжения σ_m и σ_в в режиме испытаний определим по уравнениям нормативной методики М-02-91 (описана, например, в монографии Аркадов Г.В., Гетман А.Ф., Родионов А.Н. Надежность оборудования и трубопроводов АЭС и оптимизация их жизненного цикла, Энергоатомиздат. 2010 г.). При этом для поперечных трещин используем уравнение:

$${\sigma }_{в}=2/\pi \cdot R_F^T\left\{2\sin \gamma -n_a{\left[a/s\right]}_1\sin \left(n_{\varphi }{\left[\varphi \right]}_1\right)\right\}$$

$$\gamma =1/2\left(\pi -n_a{\left[a/s\right]}_1{n}_{\varphi }{\left[\varphi \right]}_1-\pi {\sigma }_m/R_F^T\right)$$

а для продольных - уравнение:

$${\sigma }_m+0.67{\sigma }_{в}=R_F^T\left(1-a/w\right)$$ ,

где $$a/w=\frac{n_a{\left[a/s\right]}_1}{1+2/\pi \cdot \frac{{\left[a/c\right]}_1{n}_a/n_0}{{\left[a/s\right]}_1{n}_a}}$$

В указанных уравнениях

коэффициенты запаса n_a и n_φ равны единице (раз нет запаса, то размеры критические, если есть запас, то трещины к разрушению не приведут);

σ_в - общие изгибные напряжения,

$$R_F^T$$ - полусумма пределов текучести и прочности материала,

φ - протяженность трещины в радианах,

S - толщина стенки трубопровода,

σ_m - мембранное напряжение,

n_a, n_φ - запасы на размер трещины (в данном случае n_a=n_φ=1).

По найденным значениям σ_m и σ_в (σ_в в большинстве случаев принимаем таким же, как и при нормальных условиях эксплуатации, что связано с тем, что трубопроводы хорошо спроектированы и напряжения температурной самокомпенсации пренебрежимо малы, а изгиб определяется только напряжениями от весовой нагрузки, которые в режимах нормальных условий эксплуатации и испытаний одинаковы). Если же изгибные напряжения отличаются существенно, то тогда σ_в определяют по продольно ориентированной трещине с использованием формул «Норм расчета на прочность АЭС» ПНАЭГ-7-002-86. Давление испытаний Р_и равно:

Р_и=2σ_mS/D где σ_m - напряжение, взято для расчета продольных трещин, и

Р_и=4σ_mS/D где σ_m - напряжение, взято для расчета поперечных трещин.

При выполнении указанных выше расчетов принято во внимание, что и для режима испытаний и для рабочего режима материал находится в вязком состоянии. Если материал изделия находится в хрупком состоянии, то используют аналогичные формулы для хрупкого состояния (см., например, монографию Аркадов Г.В., Гетман А.Ф., Родионов А.Н. Надежность оборудования и трубопроводов АЭС и оптимизация их жизненного цикла, Энергоатомиздат. 2010 г.).

Величину давления испытаний можно также дополнительно варьировать, меняя температуру испытаний, которая влияет на критические размеры трещин через влияние на механические свойства материала.

Пример осуществления изобретения.

Имеется трубопровод внутренним диаметром D=850 мм, толщиной стенки S=70 мм из перлитной стали. Интервал времени между испытаниями составляет 4 года (И_сущ=4 года). Необходимо безопасно увеличить интервал между испытаниями до И_ув=8 лет. При этом мембранные напряжения в направлении оси трубопровода равны σ_mz=90 МПа, а в тангенциальном напряжении σ_mθ=180 МПа. Изгибные напряжения в рабочем режиме равны σ_в=30 МПа и действуют только в осевом направлении. При этом изгибные напряжения складываются из напряжений, обусловленных весом трубопровода (8 МПа), и температурными напряжениями самокомпенсации (22 МПа). При этом температура эксплуатации 300°С, а температура испытаний принимается равной 20°С.

Для определения давления испытаний, обеспечивающего безопасное увеличение интервала между испытаниями до 8 лет, проделывают следующие операции:

- определяют критические размеры дефектов сплошности материала изделия в режиме нормальных условий эксплуатации; для этого используют уравнение:

$${\sigma }_{в}=2/\pi \cdot R_F^T\left\{2\sin \gamma -n_a{\left[a/s\right]}_1\sin \left(n_{\varphi }{\left[\varphi \right]}_1\right)\right\}$$

$$\gamma =1/2\left(\pi -n_a{\left[a/s\right]}_1{n}_{\varphi }{\left[\varphi \right]}_1-\pi {\sigma }_m/R_F^T\right)$$

для поперечных трещин, а для продольных - уравнение:

$${\sigma }_m+0.67{\sigma }_{в}=R_F^T\left(1-a/w\right)$$ ,

где $$a/w=\frac{n_a{\left[a/s\right]}_1}{1+2/\pi \cdot \frac{{\left[a/c\right]}_1{n}_a/n_0}{{\left[a/s\right]}_1{n}_a}}$$

Результаты расчета для поперечной трещины показаны на кривой 1 ФИГ.5.

Для интервала времени И_ув=8 лет определяют величину Δχ=χ_нуэ-χи, где χ_нуэ- размеры критических дефектов (а; с) в режиме нормальных условий эксплуатации, а χ_и - размеры критических дефектов (а; с) в режиме испытаний. Величины (а; с) показаны на ФИГ.2 и ФИГ.3, а результаты расчета для поперечной трещины представлены на ФИГ.5 кривой 2. Для уменьшения объема расчетов расчет выполняют для четырех точек, полученных от пересечения лучей «а», «б», «в» и «г» с кривой критических дефектов в режиме нормальных условий эксплуатации, при этом получают наибольшую скорость роста трещины для луча «а». Расчет подроста трещины определяют по уравнению:

$$N={\displaystyle \underset{a_0}{\overset{a_k}{\int }}1/C}\cdot {\left(\frac{\Delta K_1}{\sqrt{1-R}}\right)}^{m}da$$

в котором

ΔK₁=Y(σ_m+σ_в)(а/1000)^0,5,

R=0 (пульсирующий цикл нагружения),

коэффициенты С и m принимают в соответствии с документом М-02-91 (или по монографии Аркадова Г.В. и др.),

Y=(2-0,82(a/c))/[1-(0,89-0,57(a/c)^0,5)³(a/c)^1,5]^3,25;

- используют еще раз уравнение:

$${\sigma }_{в}=2/\pi \cdot R_F^T\left\{2\sin \gamma -n_a{\left[a/s\right]}_1\sin \left(n_{\varphi }{\left[\varphi \right]}_1\right)\right\}$$

$$\gamma =1/2\left(\pi -n_a{\left[a/s\right]}_1{n}_{\varphi }{\left[\varphi \right]}_1-\pi {\sigma }_m/R_F^T\right)$$

которое решают относительно напряжения σ_m, приняв в нем изгибное напряжение равным 8 МПа (так как испытания проводят при нормальной температуре, а значит, напряжения температурной компенсации отсутствуют), а значения для глубины и длины трещины берут из результатов расчетов, представленных на ФИГ.5 (кривая 2), как координаты точек пересечение лучей «а», «б», «в» и «г» с кривой 2. В результате была получена кривая 3 на ФИГ.5 как кривая критических размеров дефектов, максимально близко находящаяся по отношению к кривой 2 и соприкасающаяся с ней снизу. Соответствующее кривой 3 ФИГ.5 мембранное напряжение оказалось равным 109,8 МПа.

Решая аналогичным образом задачу для продольных трещин, получают величину мембранных напряжений, равную 220,9 МПа.

Принимают окончательно для режима гидроиспытаний

σ_mθ=220,8 МПа, по которой с использованием формулы:

Р_и=2σ_mS/D=2·220,9 МПа·70 мм/850 мм=36,4 МПа.

Проводят испытания давлением 36,4 МПа. Если испытания прошли успешно (то есть нет течей, надрывов, выпучиваний и т.п.), то следующее испытание проводят через 8 лет, так как надежность и безопасность эксплуатации изделия до следующих испытаний обеспечена и будет не ниже, чем при 4-х летнем интервале.

Если в процессе испытаний выявились течи и т.п., то проводят ремонт дефектного участка и выполняют повторное испытание тем же давлением 36,4 МПа, после успешного проведения которых изделие допускают к эксплуатации и следующие испытания проводят через 8 лет, в течении которых надежность и безопасность изделия будет обеспечена.

Изобретение относится к области обеспечения надежности и безопасности сосудов и трубопроводов давления во время их эксплуатации. Определяют критические размеры трещин в режиме нормальной эксплуатации. Затем методами механики разрушения и сопротивления материалов находят такое давление и температуру испытаний, при которых полученные значения размеров критических трещин не дорастают за увеличенный интервал периодичности испытаний до размеров критических трещин в режиме нормальной эксплуатации. Достигается обеспечение увеличенного интервала времени между испытаниями без снижения надежности изделия. 5 ил.

Способ гидравлических или пневматических испытаний изделий, работающих под давлением, во время их эксплуатации, состоящий в том, что изделия периодически нагружают давлением испытания жидкости или газа, превышающим рабочее давление эксплуатации, выдерживают под давлением испытания, после чего давление снижают и проводят контроль изделий на предмет целостности, отличающийся тем, что по известному напряженно-деформированному состоянию изделия в режиме нормальных условий эксплуатации определяют критические размеры дефектов сплошности материала изделия, задают увеличенный интервал И_ув периодичности испытаний, для упомянутого интервала И_ув определяют величину Δχ=χ_нуэ-χ_и, где χ_нуэ - размеры критических дефектов в режиме нормальных условий эксплуатации, а χ_и - размеры критических дефектов в режиме испытаний, по величинам Δχ и χ_и определяют условия проведения испытаний, которые обеспечили бы в изделии критические размеры дефектов не выше, чем χ_и=χ_нуэ-Δχ.