Способ изготовления сосудов Советский патент 1992 года по МПК B23K31/00 B23K101/12 

1

(21)4901367/08 (22)09.01.91 (46)07.09.92. Бюл. № 33

(71)Институт технической механики АН УССР

(72)Е. С. Переверзев, Д. Г. Борщевская, Г.А., Бигус, Т.С. Тремба и В.Г.Тихий

(56)А. А. Лебедев, Б. И. Ковальчук, Ф. Ф. Гигиняк, В. П. Ломашевский, Механические свойства конструкционных материалов при условном напряженном состоянии. Справочник. Киев: Наукова думка, 1983, с. 366.

Авторское свидетельство СССР № 1359044,кл. В 21 D 51/24,1986.

Грешников В. В. и Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976, с. 26.

Федосеев В. И. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1963, с. 301.

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСУДОВ

(57)Использование: при изготовлении сосудов, работающих под внутренним давлением, минимального веса при заданной прочности в химическом машиностроении. Сущность изобретения: для разрабатываемого сосуда определяют величину внутреннего давления Р, соответствующую пределу текучести бездефектного конструкционного материала сосуда. Предел текучести определяют по максимуму активности акустической эмиссии,полученной на образцах при сопоставлении кривых напряжение-деформация и активность акустической эмиссии-деформации. После сварки сосуда проводят нагружение изделия от величины Р. Выявляют участок поверхности с максимумом активности акустической эмиссии. Разгружают изделие. Дорабатывают конструкцию путем снятия избыточного материала. Отжигают. Затем снова нагружают изделие до величины Р и повторяют перечисленные операции до тех пор, пока максимум активности акустической эмиссии не будет достигаться при нагрузке Р во всех зонах поверхности сосудов одновременно.

сл

с

Изобретение относится к технологии изготовления вновь разрабатываемых металлических сосудов, работающих под внутренним давлением.

Традиционный способ создания новых изделий, в том числе и сосудов, работающих под внутренним давлением, связан с рас- четно-экспериментальными работами по определению напряженно-деформированного состояния материала изделия, Однако, для любого изделия напряженно-деформированное состояние материала неоднородно, т.е. компоненты тензора напряжений и тензора деформаций являются функцией координат. При проектировании любого изделия определяют сначала расчетным путем параметры напряжения и деформации материала. Основой информации о механических характеристиках материалов изделий служат данные, полученные при испытаниях стандартных образцов на растяжение, сжатие, сдвиг и т.д. Для оценки характеристик материалов изделия при эксплуатации используют условия эквивалентности. Рацио Jсл

Ю

сл

00

сл

нальный выбор критериев такого условия состоит в подборе некоторой функции компонент напряжения, сохраняющей свое значение и соответствующих предельному заданному состоянию (текучести, разрушению и т.п.). Исходя из этих критериев, выбирается уровень безопасных для данного материала напряжений и происходит расчет конструкции изделия с учетом особенностей ее эксплуатации. После изготовления необходимо проводить сравнение результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, полученными при испытаниях изделия. Таким образом, известный способ создания нового изделия имеет вид: а) расчет конструкции с использованием одного из критериев предельного состояния и информации о механических свойствах используемых материалов: б) изготовление изделия согласно расчетным данным; в) испытание изделия на соответствие характеристик прочности расчетным и заданным значениям (см. Механические свойства конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии. Справочник. Киев, Наукова думка, 1983 г. Авторы: А. А. Лебедев, Б. И. Ковальчук, Ф. Ф. Гигиняк, В. П. Ломашевский. 366 с.).

Недостатком указанного способа является то, что при сложном напряженном состоянии материала создать конструкцию минимального веса при заданной прочности только на основе расчетной схемы невозможно. Уменьшить же вес конструкции в результате последовательно применяемой экспериментальной отработки только механическими способами контроля напряженного состояния методически трудно.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способу изготовления сварных многослойных сосудов высокого давления, позволяющий создать надежную конструкцию (А. С. № 1359044, СССР, кл. В 21 D 51/24, 1986), заключающийся в том, что сосуд высокого давления изготавливается навивкой на оправку двух полос с совмещенными торцами и герметическим соединением полос между собой посредством сварки.

Недостатком этого способа является избыточный вес сосуда высокого давления с заданной прочностью, обусловленный не- равнопрбчной конструкцией такого сосуда. Часть конструкции имеет прочность выше заданной и, следовательно, избыточный вес.

Цель изобретения - уменьшение металлоемкости сосудов, работающих под внутренним давлением при заданной их прочности за счет обеспечения равнопрочности конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что

в способе изготовления сосудов, работающих под внутренним давлением, включающем навивку на оправку полос с совмещением торцов и герметическое соединение их между собой, например, посредством сварки, определяют величину внутреннего давления Р, соответствующую пределу текучести бездефектного конструкционного материала сосуда, определенному по максимуму активности акустической

эмиссии, полученной на образцах при сопоставлении кривых напряжение - деформация и активность акустической эмиссии - деформация, проводят нагружение изделия (сосуда) до величины Р, выявляют участок поверхности с максимумом активности акустической эмиссии, разгружают изделие, дорабатывают конструкцию путем снятия, например, химфрезерованием, избыточного материала в местах акустически неактивных, проводят рекристаллизационный отжиг сосуда, затем снова нагружают изделие до величины Р и повторяют перечисленные выше операции до тех пор, пока максимум активности акустической эмиссии

не будет достигаться при давлении Р во всех зонах поверхности сосуда одновременно.

Новыми отличительными признаками предлагаемого способа по сравнению с прототипом является введение метода акустической эмиссии на этапе создания новой конструкции сосуда, введение серии последовательных нагружений и снятие избыточного материала в локальных участках изделия. Следовательно, предлагаемое решение соответствует требованию Новизна,

Эти новые существенные признаки при анализе известных в науке решений не обнаружены. Следовательно, предлагаемый

способудовлетворяеттребованию Существенные отличия.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, нто применен ие акустико-эмиссионного способа позволяет выявить на поверхности сосуда локальные участки, которые будут определять прочность изделия. Другие участки обладают большей прочностью, а

следовательно и избыточным весом. Последовательно снимая избыточный материал в акустически неактивных местах, дорабатывают конструкцию сосуда до равнопрочной. Эти существенные отличительные признаки позволяют уменьшить металлоемкость сосудов, работающих под внутренним давлением, при заданной их прочности. Следовательно, заявляемый способ удовлетворяет требованию Положительный эффект.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Емкость изготавливают из раскроенных листов металла путем навивки заготовок на оправку, совмещают кромки металла и осуществляют герметическое соединение полос посредством сварки. Определяют величину предела текучести (00,2) чз эталонных образцах.

Известно, что метод акустической эмиссии позволяет получить более точные; нрсд елы текучести по сравнению с данными, определенными из обычных диаграмм растяжения. Из совмещенных диаграмм растя- жение-деформация и активность акустической эмиссии - деформация путем усреднения результатов получают величину (/ 00,2, соответствующую максимуму акустической активности N . Определяют величину давления Р, соответствующего пределу текучести оь,2 (см. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1963, с. 301).

На исследуемую емкость наклеивают датчики акустической эмиссии, и подключают информационно-измерительную систему акустической эмиссии. Система позволяет проконтролировать всю поверхность исследуемой емкости. Поверхность емкости разбита на зоны, размером, например, 50x50 мм. При излучении импульсов акустической эмиссии система определяет координаты зоны, число импульсов акустической эмиссии из зоны и вычисляет значение активности акустической эмиссии. Таким образом, вся поверхность емкости находится под акустико-эмиссионным контролем.

Емкость нагружают внутренним давлением с такой скоростью, что весь период регистрации сигналов АЭ протекает в реальном масштабе времени. При достижении величины внутреннего давления Р, обеспечивающей расчетные значения оь,2 в материале, выявляются зоны, в которых сформировались максимумы акустической активности (т.е. производная от активности (N2 ) равна нулю). Затем разгружают емкость и производят снятие избыточного веса в акустически неактивных зонах емкости, например, методом химического фрезерования. Величина стравленного металла выбирается в зависимости от толщины стенок

емкости и соответствует 1 % толщины стенки емкости за одну операцию. Затем емкость отжигают и вновь нагружают. Все вышеописанные операции повторяют до тех

пор, пока максимумы активности не будут наблюдаться при давлении Р во всех зонах поверхности емкости.

Конкретный пример. Предложенный способ использовался для емкостей, работающих под внутренним давлением, диаметром 800 мм. Полосы из сплава АМгб навивались на стальную оправку. Емкость изготавливалась посредством сварки. Предел текучести материала АМгб равен 160

МПа. Рекристаллизационный отжиг прово- дилсм в 1ечоние 2 ч при 1емпературе 325 С. На испытуемую емкость наклеивали с помощью акусто-прозрачного клея датчики, которые компоновались в 12 розеток, и подключали их через предварительные усилители к измерительной системе акустической эмиссии. На экране видеоконтрольного устройства вся поверхность емкости условно разбита на зоны размерами 50x50 мм, Емкость нагружали внутренним давлением Р до величины 1,3 МПа со скоростью 0,01 МПа/мин. При достижении Р величины 1,3 МПа система акустической эмиссии выводит на видеоконтрольное устройство участки емкости акустически неактивные. Емкость разгружали, и участки поверхности, активные при нагрузке 0,13 МПа. покрывали специальным составом. Затем проводили химфрезерование емкости в ванне с химреактивом. Места емкости, покрытыеспециальнымсоставом, химфрезерованию не подвергаются. Затем емкость вновь отжигали при температуре 325°С и повторяли операции акустико-эмиссионного контроля. После пяти операций снятие избыточного металла и последующего отжига система акустико-эмиссионного контроля регистрировала акустическую активность со всей поверхности емкости. Доработанную конструкцию емкости брали за эталон для всех последующих емкостей. Разрушение таких доработанных емкостей наступало при внутреннем давлении порядка 2,7 МПа, что удовлетворило требованиям

заказчика, а вес доработанной емкости меньше первоначальной на 5-10%.

Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом - способом, описанным в авт. св. СССР N 1359044 - обеспечивает следующие преимущества:

- позволяет разработать сосуд, работающий под давлением, минимального веса при заданной прочности;

- уменьшает число разрушающих испытаний, проводимых при доработке конструкции сосуда, т.к. все операции проводятся на одном сосуде.

Формула изобретения Способ изготовления сосудов, работающих под внутренним давлением, включающий навивку на оправку полос с совмещением торцов и герметическое соединение их между собой посредством сварки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения металлоемкости сосудов при заданной их прочности, после сварки сосуда на эталонных образцах определяют вели- чину внутреннего давления Р, соответствующую пределу текучести бездефектного конструкционного материала со0

5

суда, который определяют по максимуму активности акустической эмиссии, полученной на образцах при сопоставлении кривых напряжение - деформация и активность акустической эмиссии - деформация, затем проводят нагружение изделия до величины Р, выявляют участки поверхности с максимумом активности акустической эмиссии, разгружают изделие, дорабатывают конструкцию путем удаления избыточного материала в акустически неактивных зонах, проводят рекристаллизационный отжиг сосуда, снова нагружают изделие до величины Р и повторяют перечисленные операции до получения максимума активности акустической эмиссии при нагрузке Р одновременно по всем зонам поверхности сосуда.