Спосіб визначення напруженого стану в кільцевих зварних з’єднаннях трубопроводів

Реферат: UA 92921 U UA 92921 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до вимірювання механічних напружень в конструкціях із феромагнітних матеріалів і може бути використана для визначення напруженого стану біля зварних з'єднань циліндричних оболонкових конструкцій, що застосовуються в нафтогазовій, хімічній та інших суміжних галузях промисловості. Відомо спосіб визначення залишкових напружень в зоні кільцевих швів оболонкових конструкцій, в якому співвідношення між коловими і осьовими напруженнями визначають числовими методами (Фомичев С.К., Осламовский Ю.А., Великоиваненко Е.А. "Экспериментально-расчетный метод определения остаточных напряжений в зоне кольцевых швов оболочечных конструкций"// Автоматическая сварка. - 1998. - № 5 (542). - С. 14-18). Однак в цьому способі при визначенні співвідношень колових та осьових напружень в зоні зварного шва необхідно знати значення погонної енергії зварювання та інформацію про застосування методів зменшення напружень в кільцевих зварних швах, які переважно для конструкцій тривалої експлуатації невідомі. Відомий також спосіб визначення напруженого стану біля зварних з'єднань трубопроводів, який полягає в тому, що, обертаючи накладний магнітопружний перетворювач, визначають зміну вихідного сигналу та визначають тарувальний коефіцієнт на зразку, який виготовлений з того ж матеріалу, що і досліджуваний трубопровід [А.С. 1185126А (СРСР). Спосіб визначення механічних напружень (Жданов І.М., Батюк В.В., Беловецький Є.М., Гачик Р.К. та інші.). - Опубл. 15.10.1985 в Б.И. № 38, 1985 р.]. В цьому способі на основі гармонічної залежності зміни кута повороту перетворювача визначають амплітуду і фазу вихідного сигналу і розраховують величину дотичного напруження. Даний спосіб недосконало визначає компоненти напруженого стану, він також не визначає співвідношень між коловими та осьовими напруженнями біля зварного шва, коли невідомо значення погонної енергії зварювання елементів конструкції, не враховує процеси релаксації і деградації металу труби та різного роду технологічні залишкові деформації. В цьому способі на основі гармонічної залежності зміни кута повороту перетворювача визначають амплітуду і фазу вихідного сигналу і розраховують величину дотичного напруження. Найбільш близьким по технічній суті до заявленого способу є спосіб визначення напруженого стану біля зварних з'єднань трубопроводів, який полягає в тому, що, обертаючи накладний магнітопружний перетворювач, визначають зміну вихідного сигналу та встановлюють тарувальний коефіцієнт на зразку, який виготовлений з того ж матеріалу, що і досліджуваний трубопровід [Деклараційний патент на корисну модель № 7910 (Україна). Спосіб визначення напруженого стану біля зварних з'єднань трубопроводів (Драгілєв А.В., Банахевич Ю.В., Осадчук В.А., Кичма А.О.). - Опубл. 15.07.2005 в Бюл. № 7, 2005 р.]. В цьому способі неруйнівним методом вимірюють усереднену по площі контакту давача різницю головних напружень і встановлюють сподівану усереднену по площі контакту давача різницю головних 0 напружень через компоненти тензора пластичних власних деформацій ij , за допомогою функціонала мінімізують відхилення виміряного усередненого значення різниці головних напружень від сподіваного усередненого значення, визначають необхідні параметри 40 45 50 55 0 компоненти тензора пластичних власних деформацій ij , після чого знаходять колові та осьові напруження у довільній точці трубопроводу, за якими і судять про напружений стан. Даний спосіб не дозволяє визначати компоненти об'ємного напружено-деформованого стану різнотовщинних зварних з'єднань. В основу корисної моделі поставлено задачу створити спосіб визначення напруженого стану в кільцевих зварних з'єднаннях трубопроводів в процесі їх тривалої експлуатації, в якому з більшою точністю визначають компоненти напружень, в тому числі співвідношення між коловими та осьовими напруженнями біля зварного різнотовщинного шва, коли невідомо значення погонної енергії зварювання елементів конструкції і при цьому враховують вплив процесів релаксації металу труби та різного роду технологічних залишкових деформацій і тим самим підвищити точність визначення напруженого стану кільцевих різнотовщинних зварних з'єднань трубопроводів. Поставлена задача вирішується тим, що, обертаючи накладний магнітопружний перетворювач, визначають зміну вихідного сигналу та встановлюють тарувальний коефіцієнт на зразку, який виготовлений з того ж матеріалу, що і досліджуваний трубопровід, при цьому вимірюють неруйнівним методом усереднену за площею контакту давача різницю головних напружень і встановлюють сподівану усереднену за площею контакту давача різницю головних 0 напружень, через компоненти тензора пластичних власних деформацій ij , за допомогою функціонала мінімізують відхилення виміряного усередненого значення різниці головних 1 UA 92921 U 5 10 15 напружень від сподіваного усередненого значення, визначають необхідні параметри компоненти тензора пластичних власних деформацій, згідно з корисною моделлю, значення компоненти тензора повної деформації визначають у вигляді суми компоненти тензора пружної деформації і компоненти тензора поля умовних пластичних деформацій, фіксують інтегральні подання компонент тензора напружень через невідомі компоненти тензора поля умовних пластичних деформацій, значення цих невідомих компонент деформацій визначають за експериментальною інформацією щодо поля залишкових напружень, яку в різних перерізах трубопроводу визначають одним з неруйнівних методів або за допомогою їх синтезу, та будують функціонал, мінімізація якого забезпечує найменшу нев'язку між експериментально визначеними і аналогічними теоретично обчисленими характеристиками полів напружень, за розв'язками оберненої задачі теорії оболонок з власними напруженнями знаходять значення компоненти тензора поля умовних пластичних деформацій, за якими визначають компоненти тензора залишкових напружень в довільній точці кільцевого різнотовщинного зварного з'єднання трубопроводу, включаючи і ці, які не можна отримати експериментально, після чого знаходять колові та осьові напруження у довільній точці трубопроводу, за якими судять про його об'ємний напружений стан, з врахуванням різнотовщинності зварного з'єднання і несиметричності розподілу залишкових деформацій відносно перерізу зварного шва. Представлення компоненти тензора повної деформації  ij виразом e 0 ij  ij  ij , 20 25 30 35 40 45 50 55 e 0 де ij - компонента тензора пружної деформації, ij - компонента тензора пластичних власних деформацій, дозволяє на основі розв'язку оберненої задачі теорії оболонок із залишковими деформаціями відшукати невідомі параметри компонент тензора пластичних 0 власних деформацій ij і на їх основі обчислити компоненти напруженого стану у довільній точці трубопроводу, зокрема і ті, які не можна отримати експериментально. Проведення мінімізації відхилення виміряного усередненого значення різниці головних напружень від сподіваного усередненого значення, дозволяє підвищити точність визначення колових та осьових напружень у довільній точці трубопроводу за допомогою отриманих параметрів враховуючи різнотовщинність зварного з'єднання і несиметричний розподіл залишкових деформацій відносно перерізу зварного шва і тим самим підвищити точність визначення напруженого стану біля різнотовщинних зварних з'єднань трубопроводів. Використання експериментальних даних отриманих безпосередньо на трубопроводі дозволяє врахувати сумарні технологічні напруження і зміну механічних характеристик металу труби в процесі тривалої експлуатації. Таким чином, застосування запропонованого способу дозволяє визначати з високою точністю напружений стан в кільцевих різнотовщинних зварних з'єднаннях трубопроводів, встановлювати співвідношення їх колових та осьових напружень, враховувати процеси релаксації та деградації металу труби та різного роду технологічні залишкові деформації. Спосіб здійснюють так. Перед проведенням вимірювань на діючому трубопроводі накладний магнітопружний перетворювач встановлюють на зразок у вигляді пластини, який виготовлений з того ж матеріалу, що і досліджуваний трубопровід, і за допомогою приладу, наприклад MESTR-411 чи аналогічних, проводять відлік вихідного сигналу з перетворювача у двох взаємоперпендикулярних напрямках декілька разів і визначають їх усереднені величини. Зразок встановлюють в розривну машину і поступово збільшуючи навантаження на зразок, аналогічно знімають відлік вихідного сигналу з перетворювача у двох взаємно перпендикулярних напрямках, будують тарувальну криву і визначають тарувальний коефіцієнт. При вимірюванні на діючому трубопроводі на поверхні труби в околі різнотовщинного зварного шва наносять сітку: три лінії вздовж осі труби з відстанню між ними, наприклад 20 мм і перпендикулярні до них лінії вздовж кіл з кроком, наприклад 2 мм. Почергово встановлюють магнітний перетворювач на розмічені точки і знімають відлік вихідного сигналу при розміщенні осі перетворювача перпендикулярно і вздовж осі труби та знаходять їх піврізницю. За розрахункове в цьому перерізі приймають усереднене значення, наприклад, за трьома вимірюваннями. Аналогічно отримують значення показника приладу в інших перерізах трубопроводу. Для отриманих експериментальних даних з використанням тарувального коефіцієнта обчислюють відповідні їм значення середньоінтегральних по площі контакту давача різницю головних напружень і встановлюють сподівану усереднену по площі давача різницю головних напружень. 2 UA 92921 U Встановлюють сподівану усереднену по площі контакту давача різницю головних 0 напружень, через компоненти тензора пластичних власних деформацій ij , за допомогою функціонала мінімізують відхилення виміряного усередненого значення різниці головних напружень від сподіваного усередненого значення, визначають необхідні параметри 5 10 15 20 25 30 35 0 компоненти тензора пластичних власних деформацій ij , після чого знаходять колові та осьові напруження у довільній точці трубопроводу, за якими судять про його об'ємний напружений стан з врахуванням різнотовщинності зварного з'єднання і несиметричності розподілу залишкових деформацій відносно перерізу зварного шва. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб визначення напруженого стану в кільцевих зварних з'єднаннях трубопроводів, який полягає у тому, що, обертаючи накладний магнітопружний перетворювач, визначають зміну вихідного сигналу та встановлюють тарувальний коефіцієнт на зразку, який виготовлений з того ж матеріалу, що і досліджуваний трубопровід, при цьому вимірюють неруйнівним методом усереднену за площею контакту давача різницю головних напружень і встановлюють сподівану усереднену за площею контакту давача різницю головних напружень через компоненти тензора пластичних власних деформацій, за допомогою функціонала мінімізують відхилення виміряного усередненого значення різниці головних напружень від сподіваного усередненого значення, визначають параметри компоненти тензора пластичних власних деформацій, після чого знаходять колові та осьові напруження у довільній точці трубопроводу, за якими і судять про напружений стан, який відрізняється тим, що значення компоненти тензора повної деформації визначають у вигляді суми компоненти тензора пружної деформації і компоненти тензора поля умовних пластичних деформацій, фіксують інтегральні подання компонент тензора напружень через невідомі компоненти тензора поля умовних пластичних деформацій, значення цих невідомих компонент деформацій визначають за експериментальною інформацією щодо поля залишкових напружень, яку в різних перерізах трубопроводу визначають одним з неруйнівних методів або за допомогою їх синтезу, та будують функціонал, мінімізація якого забезпечує найменшу нев'язку між експериментально визначеними і аналогічними теоретично обчисленими характеристиками полів напружень, за розв'язками оберненої задачі теорії оболонок з власними напруженнями знаходять значення компоненти тензора поля умовних пластичних деформацій, за якими визначають компоненти тензора залишкових напружень в довільній точці кільцевого різнотовщинного зварного з'єднання трубопроводу, включаючи і ці, які не можна отримати експериментально, після чого знаходять колові та осьові напруження у довільній точці трубопроводу, за якими судять про його об'ємний напружений стан, з врахуванням різнотовщинності зварного з'єднання і несиметричності розподілу залишкових деформацій відносно перерізу зварного шва. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3