Спосіб діагностування тріщин по об’єму їхнього розкриття на працюючому устаткуванні

Винахід відноситься до діагностики устаткування, що експлуатується в енергетиці, хімічній промисловості, транспорті. Відомі численні аналоги виявлення і контролю тріщин: оптико-візуальний [1], капілярний контроль [2], магнітопорошкова діагностика [1, 3], ультразвукова дефектоскопія [1, 3, 4, 5], акустична емісія [1, 3, 6, 7], рентгенівський контроль [1] і ін. До недоліків цих аналогів відноситься: - періодичність контролю через неможливість проведення діагностики безпосередньо на працюючому устаткуванні; - неможливість одержання даних про розкриття тріщин під навантаженням; - відсутність надійних методик оцінок швидкості росту тріщин у реальних умовах експлуатації, що може призвести до руйнування устатк ування в міждіагностичний період, що, як правило, збігається з міжремонтним періодом. До прототипу запропонованого способу варто віднести спосіб [8], що закладений у нормативні періодичні випробування на герметичність і міцність устаткування (труби, різного роду посудини і т.д.) при заданому тиску перед його пуском в експлуатацію. До недоліків прототипу відноситься те, що ці випробування проводяться періодично, як правило, відповідно до нормативних вимог і не дозволяють забезпечити постійний контроль за безпекою і надійністю працюючого устаткування в міждіагностичний період, що підвищує ризик руйнування устаткування при експлуатації. Результати цих випробувань служать тільки для оцінки можливості устаткування відробити черговий термін до наступного діагностування. Задачею винаходу є створення способу діагностування тріщин за об'ємом їхнього розкриття на працюючому устаткуванні, в якому шля хом безперервного контролю тиску рідини в герметичній порожнині, що залежить від величини об'єму розкриття тріщин усередині цієї порожнини, досягається новий технічний результат - підвищення безпеки і надійності. Поставлена задача досягається тим, що в способі діагностування тріщин по об'єму їхнього розкриття на працюючому устаткуванні, який заключається в тім, що наявність тріщини визначається за тиском в герметичній порожнині, яка формується додатково на контрольованій ділянці устаткування, що є частиною порожнини, заповнюється рідиною, з'єднується з гнучкою мембраною, і за значенням стріли прогину мембрани чи по її напружено-деформованому стану безперервно визначається об'єм розкриття тріщин. Порівняльний аналіз відомих технічних рішень показує, що запропонований спосіб уперше забезпечує безперервний контроль за розвитком тріщин у процесі експлуатації устаткування. Дозволяє безперервно відслідковувати розвиток тріщин у процесі експлуатації, що знижує імовірність раптового руйнування устаткування. На основі приведеного вище можна зробити висновок про те, що істотні ознаки, які приведені у формулі винаходу, є необхідними і достатніми для досягнення нового технічного результату - підвищення безпеки і надійності шляхом безперервного контролю розвитку тріщин в обладнанні під навантаженням. Запропонований спосіб ґрунтується на тому, що збільшення замкнутого об'єму, заповненого рідиною під тиском, в результаті появи тріщини призводить до різкого зниження тиску рідини в цьому об'ємі. Щоб забезпечити поступове зниження тиску при збільшенні розкриття тріщин застосовується гнучка мембрана, зв'язана з цим об'ємом. Мембрана, використовуючи накопичену потенційну енергію при створенні первісного тиску, забезпечує збереження незмінним внутрішній об'єм, заповнений рідиною, з появою і розвитком тріщин шляхом зменшення стріли прогину. Проте це призводить до зниження тиску рідини, що, в свою чергу, впливає на напруженодеформований стан мембрани. Мембрана одночасно виконує і роль датчика тиску, за показниками якого оцінюється наявність і розміри тріщин на працюючому устаткуванні. Схема реалізації пропонованого способу діагностування тріщин показана на фігурі, де зображено контрольована поверхня устаткування - 1, герметична порожнина під тиском q - 2, гнучка мембрана - 3, тріщина - 4, кульовий сегмент - 5. Характеристики мембрани (діаметр, товщина, матеріал) і первісний тиск рідини розраховуються, ви ходячи з критичних і гранично припустимих розмірів розкриття тріщин і необхідної точності контролю. Рідину вибирають з урахуванням параметрів навколишнього середовища і властивостей матеріалів, що формують герметичну порожнину. Розташування мембрани і спосіб знімання інформації визначають, виходячи з конструктивних і експлуатаційних характеристик устаткування, яке діагностується. Як приклад розглянемо випадок, коли за розрахунковими даними критичні розміри напівеліптичної тріщини в металі устаткування рівні: довжина на поверхні – 30 мм, глибина – 10 мм. Тоді критичний об'єм розкриття тріщини (розкриття тріщини на поверхні устаткування - 0,5 мм) дорівнює 30×10×0,25 = 75 мм 3 (середнє розкриття тріщини приймаємо рівним половині її розкриття на поверхні). Вибираємо мембрану (матеріал - сталь, межа пружності – 90 кг/мм 2). Для забезпечення 1,5 запасу по пружності s max у мембрані не повинні перевищува ти 60 кг/мм 2. Із конструктивних міркувань розміри мембрани, затисненої по контуру, приймаємо: діаметр 2b=30 мм, товщина h=0,5 мм. Тоді первісний тиск q у герметичній порожнині не повинен перевищувати 40 кг/см 2 (q) для забезпечення s max - 60 кг/мм 2. Можливий варіант, коли параметри мембран визначаються, виходячи з припустимого максимального тиску в герметичній порожнині. Максимальна напруга в центрі мембрани визначається за формулою [9] æ qb ö s max = 0,4233 Eç ÷ è h ø 2 , а максимальна стріла прогину в центрі мембрани в такий спосіб f = 0,662h3 q æb ö ç ÷ E èh ø 4 . Об'єм кульового сегмента радіусом 2b і висотою h [10] дорівнює ( ) 2 2 V = 1 / 6 ph 3b + h Розрахунки для значень тиску q=(40; 30; 20; 10) кг/см 2 приведені в таблиці. Таблиця q, кг/мм 2 0,4 f, мм 0,3947 s max 60 , кг/мм 2 3 V шарового сегмента, мм 141 V тріщини, мм 3 0 q - тиск, f - стріла прогину мембрани, s max - максимальна напруга в мембрані, 0,3 0,3574 49,7 0,2 0,3115 37,9 0,1 0,116 23,9 106 35 70 71 35,3 105,7 V - об'єм кульового сегмента мембрани, V1 - об'єм розкриття тріщини. Примітка: Об'єм кульового сегмента дає трохи завищені результати (близько 5 ± 10%), тому що не враховує кривизну мембрани в області защемлення, а розглядає мембрану, як шарнірно обперту по контуру. З даних розрахунку видно, що при падінні тиску в замкнутій герметичній порожнині з 40 кг/см 2 до 20 кг/см 2 необхідно негайно зупинити устаткування і провести дефектоскопію іншими методами для уточнення розмірів тріщин, тому що об'єм розкриття тріщин досяг 71 мм 3 (критичний 75 мм 3). У такий спосіб у порівнянні з прототипом уперше забезпечується неперервний контроль за розвитком тріщин на працюючому устатк уванні, що дозволяє підвищити його безпеку і надійність шляхом своєчасного й обґрунтованого виведення його з експлуатації за результатами контролю за розвитком тріщин і не допустити його руйнування при роботі. Література 1. Дефектоскопия деталей при эксплуатации авиационной техники. М. 1978. - 231с. 2. Національний стандарт України. Неруйнований контроль. Капілярний контроль. ДСТУ ΕΝ 571-1-2001. Київ 2002. 3. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Под ред. В.В. Клюева М. 1995. - 488с. 4. Химченко Н.В. Ультразвуковая дефектоскопия. М. 1976. - 32 с. 5. Національний стандарт України. Неруйнований контроль. Ультразвуковий контроль. ДСТУ ΕΝ 583-1-2001. Київ 2002. 6. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Акустические методы контроля. М. 1991. - 290с. 7. А.М. Ширяев, А.В. Камышев, А.А. Миронов, А.Н. Гречухин. Оценка надежности акустико-эмиссионного контроля с учетом физико-механических особенностей развития трещин Дефектоскопия, №7,2002, C.3-9. 8. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов работающих под давлением. Киев. 1995. 9. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник т.1 М. 1968. с.608-614. Под общ. редакцией И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. 10. Справочник по математике М. 1955. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев.