×
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 121-130 из 207.
23.08.2019
№219.017.c2db

Способ монтажа сборной части ригеля и монтажное приспособление для его осуществления

Изобретение к области строительства, в частности к способу монтажа ригеля и приспособлению для его монтажа. Технический результат заключается в повышении технологической надежности процесса монтажа. Способ монтажа сборной части ригеля включает установку ригеля на монтажные столики, закрепление...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697985
Дата охранного документа: 21.08.2019
27.08.2019
№219.017.c3de

Способ прокатки в валках с волнообразным профилем бочки

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при прокатке литых слябов в черновых клетях листопрокатного стана горячей прокатки. Способ включает прокатку в два прохода, в первом проходе осуществляется обжатие заготовки высотой h в валках с волнообразным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002698241
Дата охранного документа: 23.08.2019
02.09.2019
№219.017.c5ed

Способ извлечения хрома (vi) из растворов с получением железо-хромового осадка

Изобретение может быть использовано в гальванотехнике при утилизации хромсодержащих стоков. Способ извлечения хрома (VI) из хромсодержащих растворов гальванических производств с получением малообводненного железо-хромсодержащего осадка включает введение в хромсодержащий раствор...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002698810
Дата охранного документа: 30.08.2019
05.09.2019
№219.017.c78b

Способ получения высокоглинозёмистого цемента

Изобретение относится к области производства высокоглиноземистого цемента, в частности к его производству при комплексном использовании продуктов комбинированного безотходного обогащения низкокачественных бокситов. Технический результат изобретения - обеспечение возможности использования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002699090
Дата охранного документа: 03.09.2019
07.09.2019
№219.017.c867

Способ ковки раскатных колец

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при изготовлении кованых раскатных колец из труднодеформируемой стали. Осуществляют обжатие стенки кольца по периметру посредством бойка и оправки с поворотом кольца. За первый оборот кольца обжатие его...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002699428
Дата охранного документа: 05.09.2019
02.10.2019
№219.017.cd9d

Способ синтеза слоистых гидроксинитратов гадолиния

Изобретение относится к технологии получения ориентированных кристаллов слоистых гидроксисолей на основе гадолиния, которые могут быть использованы в производстве катализаторов, адсорбентов и анионно-обменных материалов, а также для формирования функциональных покрытий при создании различных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002700509
Дата охранного документа: 17.09.2019
04.10.2019
№219.017.d1ea

Конструкция антенной решетки свч с частотным сканированием

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть применено в составе бортовых радиолокационных систем с частотным сканированием. Технической задачей изобретения является существенное увеличение сектора сканирования антенны с высоким быстродействием, оптимизация...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002701877
Дата охранного документа: 02.10.2019
13.12.2019
№219.017.ecf7

Инфракрасная волоконно-оптическая система контроля температуры ветрогенератора

Изобретение относится к инфракрасной волоконно-оптической системе, предназначенной для контроля температуры и диагностики комплектующих узлов ветрогенератора (подшипников и обмоток электродвигателей), которые работают в температурном интервале от +300 до -20°С. Инфракрасная волоконно-оптическая...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708814
Дата охранного документа: 11.12.2019
13.12.2019
№219.017.ed04

Способ термической обработки износостойких втулок буровых насосов нефтегазового оборудования из инструментальных хромистых сталей

Изобретение относится к области производства деталей бурового нефтегазового оборудования, в частности цилиндровых втулок бурового насоса из стали Х12МФЛ, работающих в условиях абразивного износа, коррозионного воздействия и высоких переменных давлениях. Для увеличения ресурса работы цилиндровых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708722
Дата охранного документа: 11.12.2019
13.12.2019
№219.017.ed4e

Анод для электролитических ванн

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в гальванических процессах для растворения отходов медных сплавов. Предложенный анод представляет собой перфорированный контейнер из неэлектропроводного материала, устойчивого к воздействию электролита, с насыпной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708725
Дата охранного документа: 11.12.2019
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