Способ испытания сосудов на прочность при низких температурах Советский патент 1988 года по МПК F17C1/00 G01N3/18 

00 Од

1

00

to

Од

10

Изобретение относится к-криоген- ной технике.

Расширение сферы применения криогенных продуктов, промьшшенное освое- ние температур, близких к абсолютно- му нулю, увеличение единичной мощности агрегатов и установок, создание крупных систем, включающих хранилища криогенных продуктов на десятки тысяч кубических метров и сложную сеть трубопроводов для их транспортировки, характеризует современный период развития криогенного машиностроения и вьщвигает проблему обеспечения прочности, устойчивости и долговечности создаваемого оборудо- ,вания как весьма актуальную.

Большинство оболочечных криогенных конструкций работает в условиях сложного нагружения комплексом статических, циклических и динамических нагрузок. Испытания таких конструкций на малоцикловуюусталость при низких тe mepaтypax позволяет более полно учесть влияние на их несущую способность и долговечность изменения нагрузок, структурной однородности материалов, технологических дефекторов материала и свар- 30 ного соединения и т.п. Однако циклические испытания крупногабаритных оболочечных конструкций при низких температурах не проводятся из-за

разогретое до жидкого состояния балластное вещество 2 и оставляют некоторое время при комнатной температуре для перевода его в твердую фазу. В качестве балластного вещества 2 используют воски, парафины или битумы, т.е. вещества аморфные и легкоплавкие, обладающие антиадгезионными свойствами по отношению к материалу сосуда (так как являются жиросо- держащими) и имеющие коэффициент линейного расширения при низких температурах, больший по абсолютной вели- и чине, чем у материала сосуда. При зтом происходит усадка балластного вещества, освобождается часть внутренней полости, в которую вновь доливают балластное вещество. Доливку данного вещества и его усадку производят до тех пор, пока не заполнят внутреннюю полость сосуда балластным веществом в твердой фазе полностью. Затем сосуд 1 помещают в испытательную камеру 3 и заливают в нее жидкий хладагент 4 (например, жидкий азот или гелий) до уровня, на 100- 150 мм выше верхней точки сосуда, после чего образуется зазор 5.

20

25

После достижения температуры испытуемого сосуда необходимой величины начинают нагнетать рабочее вещество

в зазор 5 между внутренней поверхно- технических сложностей решения задач, тг. о ir

f - jb стью 1 и веществом 2. Контроль за темсвязанных с созданием нужного температурного режима охлаждения, обеспечения необходимого уровня техники безопасности, а также из-за отсутствия оборудования, позволяющего про- 40 водить такие испытания, особенно в автоматическом режиме.

Одним из путей сгнижения сложности решения перечисленных задач является уменьшение рабочего объема со- 45 суда при испытаниях за счет применения балласта, что позволяет работать в процессе испытания с малым объемом жидких хладагентов.

Цель изобретения - повышение эф- 50 фективности за счет увеличения частоты нагружения и упрощения процесса подготовки и проведения испытаний сосудов на прочность при низких температурах,gtj

На чертеже представлена схема реализации способа.

Во внутреннюю полость испытуемого сосуда 1 заливают предварительно

пературой сосуда осуществляют по полупроводниковым датчикам или термопарам, установленным на внешней поверхности испытуемого сосуда.

Объем зазора 5 при этом составляет:

где Y,, - объем зазора при температуре испытания сосуда tu; объем сосуда при температуре 293 К; b.{t объем балласта при температуре испытания сосуда tu.

Например, при температуре испытаний 77 К для сосуда

шаровой формы диаметром d

гчэк

7(l-«i,)d

377 к

- l -(1-) - K. Y

U)24}K

(2)

для сосуда цилиндрической формы d и высотой h

разогретое до жидкого состояния балластное вещество 2 и оставляют некоторое время при комнатной температуре для перевода его в твердую фазу. В качестве балластного вещества 2 используют воски, парафины или битумы, т.е. вещества аморфные и легкоплавкие, обладающие антиадгезионными свойствами по отношению к материалу сосуда (так как являются жиросо- держащими) и имеющие коэффициент линейного расширения при низких температурах, больший по абсолютной вели- чине, чем у материала сосуда. При зтом происходит усадка балластного вещества, освобождается часть внутренней полости, в которую вновь доливают балластное вещество. Доливку данного вещества и его усадку производят до тех пор, пока не заполнят внутреннюю полость сосуда балластным веществом в твердой фазе полностью. Затем сосуд 1 помещают в испытательную камеру 3 и заливают в нее жидкий хладагент 4 (например, жидкий азот или гелий) до уровня, на 100- 150 мм выше верхней точки сосуда, после чего образуется зазор 5.

пературой сосуда осуществляют по полупроводниковым датчикам или термопарам, установленным на внешней поверхности испытуемого сосуда.

Объем зазора 5 при этом составляет

где Y,, - объем зазора при температуре испытания сосуда tu; объем сосуда при температуре 293 К; b.{t объем балласта при температуре испытания сосуда tu.

Например, при температуре испытаний 77 К для сосуда

шаровой формы диаметром d

гчэк

7(l-«i,)d

377 к

- l -(1-) - K. Y

U)24}K

(2)

для сосуда цилиндрической формы d и высотой h

1Г

377 к

(l-) d

(1-oi) h

l-(1-) K Y

U293K

(3)

где об - коэффициент линейного расширения при температуре 77 К,

для парафина об 1 1 10

- 3

1/град, для воскас6 15-10 1/град, К 1- d-oC), для парафина К 0,0326, для воска К 0,0445; Luiflix объем сосуда шаровой формы

при температуре 293 К; цгик объем сосуда цилиндрической формы при температуре 293 К. В формулах (2 и 3) не учитывается уменьшение объема сосуда с понижением температуры, поскольку оно незначительно в связи с тем, что коэффициенты линейного расширения многих металлов с понижением температуры имеют небольшое значение (от 4-10 до 24-10 1/град).

При экспериментальном определении коэффициента линейного расширения воска пчелиного, битума, парафина установлено,что эти вещества при тем- пературе 77 К имеют величину коэффициента линейного расширения в пределах от 11. до 15-10 1/град и могут быть использованы в качестве балласта при циклических испытаниях сосудов на прочность при низ- ких температурах.

Кроме того, перечисленные аморфные вешества обладают малыми коэффициентами теплопроводности по сравнению со льдом. Так, воск, например, имеет коэффициент теплопроводности почти в тридцать раз меньше, чем у льда (коэффициент теплопроводности воска равен 0,075 ккал/М Ч-град, парафина 0,25 ккал/м.чград, битума 0,42 ккал/м чгград, льда 1,94 ккал/м I ч,- град). Если охладить в начале испытаний вместе с сосудом балласт до заданной температуры, то его масса из-за значительной величины является аккумулятором низких температур (холода) и способствует поддержанию температурного режима в процессе испытаний.

Легкоплавкость, большие, чем у конструкционных сплавов коэффициенты линейного расширения, малая тeшIo проводность воска пчелиного, парафина и битума при низких температурах позволяют значительно уменьшить рабочий объем испытуемого сосуда и упростить процесс подготовки и про- 5 ведения испытаний сосудов на прочность при низких температурах по предлагаемому способу (особенно при циклическом нагружении внутренним давлением), расширить его функцио0 нальные возможности, увеличить частоты циклов, повысить безопасность и значительно уменьшить расход электроэнергии и хладагентов.

Благодаря применению аморфных ве5 щестб в качестве балласта уменьшается рабочий объем испытуемого сосуда с 367, (известный способ) до 4%, т,е, в 9 раз и соответственно во столько же раз увеличивается частота нагру0 жения при том же силонагружающем устройстве. Это позволяет создать установку с разделительной камерой, работающую в автоматическом режиме по замкнутому циклу и, например, со5 суды 0 230 мм циклировать на ней с длительностью цикла 45 с.

Формула изобретения

1,Способ испытания сосудов на прочность при низких температурах,включающий предварительное заполнение внутренней полости сосуда жидким балластным веществом с последующим переводом его в твердое состояние

с образованием зазора между внутренней поверхностью сосуда и твердой массой вещества при охлаждении, после чего в зазор нагнетают рабочее вещество по требуемому режиму наг- ружения, отличающийся тем, что, с целью повьшгения эффективности за счет увеличения частоты нагружения и упрощения процесса, в

качестве балластного вещества используют аморфное легкоплавкое веще-, ство, обладающее антиадгезионными свойствами по отношению к материалу сосуда и имеющее коэффициент линейного расширения при низких температурах больший по абсолютной величине, чем у материала сосуда, при этом внутреннюю полость сосуда балластным веществом в твердом состоянии заполняют полностью,

2,Способ поп,1, отличающийся тем, что в качестве баллаг- стного вещества используют воски, парафины или битумы.

Изобретение относится к криогенной технике и позволяет повысить эффективность способа за счет увеличения частоты нагружения и упрощения процесса. Способ включает операции предварительного заполнения внутренней полости сосуда жидким балластным веществом с последующим переводом его в твердое состояние, при этом твердый балласт заполняет полость сосуда полностью. В качестве балластного вещества используют легкоплавкое аморфное вещество с антиадгезионными по отношению к материалу сосуда свойствами, например воски, парафины, битумы. Коэффициент линейного расширения этих веществ при низких температурах по абсолютному значению вьше, чем у материала сосуда. Поэтому при охлаждении до низких температур бу дет образовьтаться зазор между внутренней поверхностью сосуда и твердой массой вещества. В зазор нагнетается рабочее вещество по требуемому режиму нагружения. Уменьшается рабочий объем испытуемого сосуда до 4%, что дает возможность увеличить частоту нагружения, уменьшить расход хладагентов и электроэнергии. 1 з,п, ф-лы, 1 ил. с (Л