×
12.04.2023
223.018.4449

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО СЕЧЕНИЮ СТЕНКИ ТРУБЫ (ВАРИАНТЫ)

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к способам определения остаточных напряжений и может быть использовано для определения распределения остаточных напряжений по сечению стенки трубы. Способ включает определение осевого остаточного напряжения в поверхностном слое на наружной поверхности образца трубы методом травления и последующее определение распределения осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений по сечению стенки трубы. Способ включает определение осевого остаточного напряжения в поверхностном слое на внутренней поверхности образца трубы методом травления и последующее определение распределения осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений по сечению стенки трубы. Способом можно определять распределение остаточных напряжений по сечению стенки трубы в случае действия на обеих поверхностях трубы остаточных напряжений одинакового знака с применением гипотезы параболического распределения. Технический результат заключается в повышении точности и расширении возможностей методов определения остаточных напряжений. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способам определения остаточных напряжений и может быть использовано для определения распределения остаточных напряжений по сечению стенки трубы.

Известны экспериментальные способы определения остаточных напряжений в трубах (Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции М.: Металлургия, 1981 г. с. 96), в которых предлагается фиксировать упругие деформации образцов при разрушающем либо частично разрушающем внешним воздействии на них и последующем расчете остаточных напряжений на основе проведенных измерений.

Известен способ Закса (Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции М.: Металлургия, 1981 г. с. 96), который используется преимущественно для экспериментального определения остаточных напряжений в прутках и толстостенных трубах, предполагает определение распределения остаточных осевых, тангенциальных и радиальных напряжений по стенке трубы по результатам анализа ее деформации после послойной обточки с наружной поверхности. У метода есть существенные недостатки: невозможно определить напряжения по всей толщине сечения, так как, начиная с некоторого момента, стенка становится слишком тонкой для токарной обточки, в связи с этим деформации в этой области определяют экстраполяцией, что вносит погрешности; необходима корректировка деформационной кривой, построенной по экспериментальным данным; необходимы высокоточные средства измерения весьма малых деформаций изделия при последовательных удалениях слоев металла; возможны значительные погрешности при замерах на начальной стадии расточки; необходимо применение длинных образцов для исключения влияния концов, что в свою очередь требует специальных приспособлений для расточки и центровки изделия.

Известен способ «разрезных колец» для определения остаточных напряжений в тонких дисках и кольцах и доработан для определения остаточных напряжений в трубах (Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.). Метод предполагает вырезку кольца из трубы, разрезке вдоль образующей и последующее измерение изменения диаметра в результате разрезки. После изменения диаметра кольца, как и во всех подобных способах, осуществляется переход от измеренных деформаций к напряжениям на основе законов теории упругости. Недостатком способа следует считать не учет дополнительных тангенциальных напряжений, возникающих при вырезке кольца, при разрезке кольца вдоль образующей.

Известен способ Давиденкова (Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции М.: Металлургия, 1981 г. с. 96), в котором для определения тангенциальных остаточных напряжений образец трубы сначала разрезается по образующей с замером изменения диаметра, затем подвергается растворению в кислоте последовательными слоями небольшой толщины, при этом каждый раз измеряется изменение диаметра. Недостатком способа можно считать необходимость отрезки образка от трубы и разрезки его по образующей, что приводит к серьезному нарушению геометрии образца и как следствие меняет распределение остаточных напряжений в нем по сравнению с исходной трубой. При реализации способа возникают проблемы удаления слоев без нарушения геометрии трубы, что является источником дополнительных ошибок в определении остаточных тангенциальных напряжений даже в тонком поверхностном слое.

Известен способ Андерсена и Фальмана для определения остаточных напряжений в трубах (Остаточные напряжения: сборник статей / под ред. В.Р. Осгуда. М.: Иностранная литература, 1957. 395 с.), в котором авторы для определения тангенциальных остаточных напряжений применяют отрезку кольца от трубы и разрезку его по образующей с дальнейшим измерением изменения диаметра, а для определения осевых остаточных напряжений из трубы вырезается полоска, параллельная оси трубы, и замеряется возникший прогиб. Способ реализован для определения нормальных и касательных остаточных напряжений с использованием постепенного снятия слоев металла с вырезанного из трубы кольца и полоски (патент RU 2121666, МПК G01L1/06, 1996 г.). Недостатком этого способа является необходимость многократного снятия слоев металла с образца.

Известен способ определения остаточных напряжений в осесимметричных трубных изделиях после пластического деформирования, в котором известным экспериментальным способом определяют тангенциальное остаточное напряжение в поверхностном слое трубного изделия, по значению которого определяют распределение остаточных напряжений по поперечному сечению стенки трубы исходя из:

где уr, уи, уz – соответственно радиальные, тангенциальные и осевые остаточные напряжения; – значение тангенциального остаточного напряжения в поверхностном слое трубного изделия; R1 и R2 – соответственно внешний и внутренний радиусы трубы; – безразмерный параметр, характеризующий относительную толщину стенки трубы; – радиальная координата слоя; м – коэффициент Пуассона материала трубы (патент RU 2366912, МПК G01L1/00, 2008 г.). Недостатком этого способа является то, что определяют тангенциально остаточное напряжение в поверхностном слое наружной поверхности , например способом «разрезных колец», что приводит к снижению точности и достоверности способа. Кроме того способ не предполагает определение остаточного напряжения на внутренней поверхности трубы.

Проблема повышения точности и расширения возможностей методов определения остаточных напряжений решена в предлагаемом способе определения распределения остаточных напряжений по сечению стенки трубы, характеризующимся тем, что слой металла стравливают:

- с наружной поверхности образца трубы, вращая его в процессе травления, после чего фиксируют абсолютное изменение длины образца трубы относительно начальных размеров, определяют усредненное по толщине стравленного слоя осевое остаточное напряжение исходя из , где l – исходная длина образца трубы, E – модуль упругости материала трубы, и затем определяют распределение компонентов тензора остаточных напряжений по поперечному сечению стенки трубы из выражений:

где уrr, уцц, уzz – соответственно радиальные, тангенциальные и осевые остаточные напряжения; R1 и R2 – соответственно внешний и внутренний радиусы трубы; – безразмерный параметр, характеризующий относительную толщину стенки трубы; – радиальная координата слоя; м – коэффициент Пуассона материала трубы;

- с внутренней поверхности образца трубы, вращая его в процессе травления, после чего фиксируют абсолютное изменение длины образца трубы относительно начальных размеров, определяют усредненное по толщине стравленного слоя осевое остаточное напряжение исходя из , где l – исходная длина образца трубы, E – модуль упругости материала трубы, и затем определяют распределение компонентов тензора остаточных напряжений по поперечному сечению стенки трубы из выражений:

где уrr, уцц, уzz – соответственно радиальные, тангенциальные и осевые остаточные напряжения; – безразмерный параметр, характеризующий относительную толщину стенки трубы; – радиальная координата слоя; м – коэффициент Пуассона материала трубы.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Образец трубы подвергают травлению с наружной либо с внутренней поверхности на специальной установке, приведенной на фиг. 1. Измеренный образец 5 с предварительно заглушенными торцами с помощью полипропиленовых пробок и закрепленным подшипником 3 устанавливается в захватах 4, на гибких валах 6. После этого к подшипнику и ванне 1 подключаются контакты источника тока, и вся подвижная конструкция опускается в ванну 1, установленную на опорах 2 и заполненную электролитом. Включается привод вращения образца, замыкается электрическая цепь, и начинается процесс травления. После расчетного времени и снятия слоя нужной толщины измеряется диаметр образца и его длина.

На фиг. 2 изображены эпюры возможных вариантов распределения осевых остаточных напряжений в стенке трубы, где а – эпюра, в которой на наружной поверхности трубы присутствуют растягивающие напряжения, а на внутренней – сжимающие; б – эпюра, в которой на наружной поверхности трубы присутствуют сжимающие напряжения, а на внутренней – растягивающие; в – эпюра, в которой на обеих поверхностях присутствуют растягивающие напряжения.

Если стравливается наружный поверхностный слой трубы и радиус ее меняется с R1 до R'1, то происходит некоторая разгрузка трубы по остаточным напряжениям и длина образца трубы изменяется на величину Δl. При этом положительное значение Δl соответствует удлинению образца и наличию в поверхностном слое положительных (растягивающих) напряжений . Если значение Δl отрицательно, то образец укорачивается, что означает наличие в поверхностном слое отрицательных (сжимающих) напряжений , которые после замера радиуса R'1 и длины образца l + Δl после завершения травления могут быть определены по формуле

При стравливании слоя металла с внутренней поверхности внутренний радиус увеличивается с R2 до R'2. Образец трубы также изменяет длину на Δl, и величина остаточного осевого напряжения во внутреннем поверхностном слое определяется по формуле

Найденные значения или являются усредненными в объеме стравливаемого слоя. После определения осевого остаточного напряжения в поверхностном слое трубы возможно определить распределение остаточных напряжений по стенке, используя предлагаемую в способе методику.

Если на поверхностях трубы присутствуют однозначные остаточные напряжения растяжения или сжатия, приходится использовать определенные гипотезы распределения напряжений по стенке трубы, в частности гипотезу параболического распределения. На фиг. 3 схематично показана эпюра распределения осевых остаточных напряжений, имеющая место при использовании гипотезы параболического распределения остаточных напряжений по сечению стенки трубы. Для определения распределения остаточных напряжений в стенке трубы в этом случае напряжения и определяются описанным способом стравливания, а и при r = R1 и r = R2 соответственно, по формулам

= /м , (9)

= /м . (10)

Распределения напряжений по толщине стенки трубы в соответствии с гипотезой параболического распределения представляются уравнениями

σzz = azr2 – bzr – cz , (11)

σϕϕ = aϕr2 – bϕr – cϕ , (12)

коэффициенты аппроксимации которых находятся из системы уравнений

, (13)

где i – индекс, принимающий значение z или φ в зависимости от направления действия напряжений.

Координаты r0i, σ0i, определяют положение вершины параболы и определяются при расчете эпюр σzz(r) и σϕϕ(r) из условий равновесия остаточных напряжений в объёме трубы. Коэффициенты аппроксимации с точностью до неизвестных координат вершины параболы находятся из выражений:

; (14)

; (15)

, (16)

где – корни уравнений, определяемые по формулам

На значения координаты r0i накладывается условие dσii/dr = 0, из которого следует, что a0i = – bi/2ai.

Уравнение равновесия напряжений σzz в поперечном сечении трубы, составленное в соответствии с обозначениями на фиг. 3, имеет вид:

После интегрирования уравнение равновесия, представленное в форме

позволяет найти σ0z последовательными приближениями по r0z . При этом в качестве первого приближения принято значение

Распределение тангенциальных напряжений σϕϕ(r) строится аналогичным образом при удовлетворении уравнению равновесия моментов окружных сил относительно оси трубы и имеет вид:

Координаты вершины параболы (σ, r) находятся аналогичной процедурой из уравнения:

Первое приближение по r определено выражением

Предлагаемый способ иллюстрируется следующим примером конкретного исполнения. Труба диаметром 20 мм с толщиной стенки 2 мм из стали 08Х18Н10Т подвергнута травлению с наружной поверхности. Базовая длина, на которой осуществлено снятие слоя толщиной Δr = 0,2 мм, составляла l = 1100 мм. Коэффициент Пуассона стали 08Х18Н10Т принят равным 0,3. Модуль упругости стали 08Х18Н10Т принят равным 194000 МПа. После травления и охлаждения образец трубы удлинился на величину Δl = 0,12 мм, что свидетельствует о растягивающих осевых остаточных напряжениях в удаленном слое. Это усредненное в стравливаемом слое напряжение, рассчитанное по формуле (7), условно принимается за поверхностное: . Тогда Распределение σzz и σϕϕ по толщине стенки трубы, рассчитанные по предлагаемой в патенте методике показаны на фиг. 4 (кривые 1).

У второго образца трубы удален слой металла Δr = 0,2 мм с внутренней поверхности. При этом удлинение составило Δl = 0,135 мм, что в соответствии с формулой (8) свидетельствует о растягивающих осевых напряжениях = 118 МПа. Тогда На фиг. 4 показаны распределения напряжений σzz и σϕϕ по толщине стенки трубы при растягивающих осевых напряжениях на внутренней поверхности (кривые 2). Полученные распределения напряжений удовлетворяют условиям равновесия продольных сил для σzz(r) и крутящих моментов для σϕϕ(r).

Распределения напряжений σrr по толщине стенки трубы построены с использованием экспериментально полученных значений и и представлены на фиг. 5, где отрицательные радиальные напряжения соответствуют случаю стравливания слоя Δr с наружной поверхности (фиг. 4, кривая 1), а положительные – стравливанию внутреннего слоя (фиг. 4, кривая 2). В обоих случаях значения и положительны, а значения σrr(r) меняют знак на противоположный. При r = R1 и r =R2 значение σrr = 0.

Для примера построения эпюры распределения остаточных напряжений по сечению трубы в соответствии с гипотезой параболического распределения труба диаметром 20 мм с толщиной стенки 2 мм из стали 08Х18Н10Т подвергнута травлению с наружной и внутренней поверхностей: на наружной поверхности осевые остаточные напряжения, рассчитанные по формуле (7) составили = 120 МПа, на внутренней поверхности осевые остаточные напряжения, рассчитанные по формуле (8) составили = 60 МПа. В соответствии с предложенной в способе методикой равновесие продольных сил относительно оси трубы достигается при σ0z = – 50,17 МПа, а эпюра напряжений описывается уравнением: σzz = 138,5r2 – 2464r + 10903. При этом r0z = 8,89 мм, r1 = 8,29 мм, r2 = 9,49 мм. Распределение σzz(r) для рассмотренного случая графически представлено на фиг. 6.

Распределение тангенциальных напряжений σϕϕ(r) рассчитанное по предлагаемой в способе методике приведено на фиг. 7. Сходимость при рассмотрении баланса моментов окружных сил относительно оси достигнута при r = 9,145 мм и σ = 51,8 МПа, при этом за исходные экспериментально полученные значения поверхностных тангенциальных напряжений приняты следующие, рассчитанные по формулам (9) и (10) ,

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 101-110 из 207.
21.03.2019
№219.016.eb67

Комплекс для переработки бокситов

Изобретение относится к комплексу для переработки бокситов с получением из них глинозема. Комплекс содержит последовательно расположенные мельницу для размола боксита в оборотном растворе, сушилку, первую мешалку для выщелачивания, сгуститель, промыватель, вторую мешалку для обескремнивания,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002682359
Дата охранного документа: 19.03.2019
21.03.2019
№219.016.eb72

Устройство для пассивного отвода избыточной тепловой энергии из внутреннего объема защитной оболочки объекта (варианты)

Изобретение относится к устройству для пассивного отбора избыточной тепловой энергии от промышленных объектов, АЭС и ТЭЦ без использования внешних источников энергии и оборудования. В кольцевом двухфазном термосифоне, заполненном рабочей жидкостью, испарительный теплообменник размещен в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002682331
Дата охранного документа: 19.03.2019
21.03.2019
№219.016.ebc7

Способ переработки сурьмусодержащего сырья

Изобретение относится к переработке сурьмусодержащего сырья. Способ включает приведение в контакт исходного сурьмусодержащего сырья и алюминиевой стружки с водным раствором щелочи в режиме перколяции с обеспечением цементации сурьмы из сурьмусодержащих соединений алюминием. Расход алюминия...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002682365
Дата охранного документа: 19.03.2019
23.03.2019
№219.016.ec8c

Система регулируемого аварийного отвода энерговыделений активной зоны реактора аэс

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к системам аварийного отвода энерговыделений активной зоны ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем. Система регулируемого аварийного отвода энерговыделений активной зоны реактора АЭС содержит автономный контур воздушного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002682722
Дата охранного документа: 21.03.2019
06.04.2019
№219.016.fda5

Флюс для защитного покрытия расплава латуни

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при защите расплава латуни в кристаллизаторе установки вертикального непрерывного литья. Флюс содержит, мас.%: фритту бесфтористой силикатной эмали 10-15, октаборат натрия - остальное. Изобретение позволяет устранить дефекты,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684132
Дата охранного документа: 04.04.2019
13.04.2019
№219.017.0c67

Система коррекции ошибок инс летательного аппарата по дорожной карте местности

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для полета и наведения летательных аппаратов (ЛА) посредством сопоставления реальных данных дистанционного зондирования подстилающей поверхности с дорожной картой местности и предназначено для применения на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684710
Дата охранного документа: 11.04.2019
13.04.2019
№219.017.0c72

Способ получения концентрата скандия из скандийсодержащего раствора

Изобретение относится к химии и металлургии, конкретно к технологии извлечения скандия из продуктивных растворов, образующихся при переработке урановых руд, при их добыче методом подземного выщелачивания. В способе извлечения скандия из скандийсодержащего продуктивного раствора согласно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684663
Дата охранного документа: 11.04.2019
29.04.2019
№219.017.3e30

Блочная быстросъемная защита трубопроводов аэс

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к оборудованию АЭС, и касается тепловой изоляции и радиационной защиты трубопроводов, осуществляемых одновременно. Блочная быстросъемная защита трубопроводов АЭС содержит скрепленные замками теплоизоляционные блоки, расположенные на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002686428
Дата охранного документа: 25.04.2019
01.05.2019
№219.017.47eb

Решётчатая аэродинамическая поверхность

Решетчатая аэродинамическая поверхность содержит силовую раму, состоящую из двух боковин, корневого и концевого планов в виде металлических пластин, и опоры крепления силовой рамы к механизму управления решетчатой аэродинамической поверхностью. Внутри силовой рамы, выполненной с пазами,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002686593
Дата охранного документа: 29.04.2019
01.05.2019
№219.017.481d

Комплекс для испытания алгоритмов управления электроэнергетической системой

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении надежности электроэнергетической системы. Комплекс для испытания алгоритмов управления ЭЭС содержит: блок моделирования, аналоговый усилитель и блок управления, при этом блок моделирования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002686641
Дата охранного документа: 29.04.2019
Показаны записи 1-1 из 1.
24.05.2023
№223.018.6fb7

Способ удаления льда и снега с провода воздушной линии электропередачи и устройство для его осуществления

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – упрощение процесса удаления льда и снега с провода воздушной линии при снижении травматизма. Устройство для удаления льда и снега с провода воздушной линии электропередачи содержит беспилотный летательный аппарат вертолетного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002795968
Дата охранного документа: 15.05.2023
+ добавить свой РИД