Спосіб контрольних випробувань кріогенної ємності

Реферат: Спосіб контрольних випробувань кріогенної ємності включає контроль герметичності з використанням охолодження кріогенним компонентом. Контроль герметичності проводять поетапно на циліндричних частинах і днищах кріогенної ємності, а перед цим додатково проводять випробування їх на міцність кріогенним компонентом, потім здійснюють їх зварювання. Після цього проводять випробування кільцевих зварних швів на міцність при нормальній температурі порожньої кріогенної ємності з урахуванням дії сумарного осьового навантаження від дії надлишкового внутрішнього тиску і зовнішніх корпусних розтягуючих навантажень і проводять випробування зварних швів на герметичність. UA 117095 U (12) UA 117095 U UA 117095 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме - до наземних випробувань виробів на міцність та герметичність і може використовуватися як контрольні операції підтвердження якості виготовлення великогабаритних кріогенних ємнісних конструкцій, переважно паливних баків ракет-носіїв, спроектованих з урахуванням кріогенного зміцнення і навантажених внутрішнім тиском в умовах кріогенного охолодження. Відомим є спосіб кріогенно-статичних випробувань ємності у великогабаритному боксі для підтвердження її міцності, що ґрунтується на тому, що великогабаритну кріогенну ємність розміщують у спеціально обладнаному залізобетонному боксі, внутрішня поверхня якого захищена камерою із спеціальної сталі (див. книгу А.В. Кармишин и др. "Основы отработки прочности ракетно-космических конструкций", М., "Машиностроение". - 2007. - С. 403-408). Камера повинна бути обладнана теплоізоляцією, системою автоматизованого силового навантаження, системою вентиляції, системою подавання і евакуації рідкого азоту, системою вимірювання з апаратним і програмним забезпеченням і системою аварійного захисту. Кріогенну ємність охолоджують до кріогенного рівня шляхом наповнення її рідким азотом, а потім подають рідкий азот під необхідним тиском. Враховуючи те, що щільність рідкого азоту, яким заповнюють кріогенну ємність під час контрольних випробувань, більше щільності рідкого водню, то для запобігання руйнуванню кріогенної ємності її "роблять невагомою". Для цього заливають рідкий азот у камеру бокса, при цьому слідкують, щоб рівень рідкого азоту в ємності був вище, ніж у камері для запобігання надлишкового зовнішнього тиску. Здійснюють силове навантаження, для чого, наприклад, встановлюють силову балку на торцеву поверхню бака і проводять процедуру навантаження за допомогою силового оснащення, яке виготовляють із спеціальної сталі, через те, що елементи оснащення працюють в умовах кріогенних температур. Недоліком цього способу випробувань є його низькі експлуатаційні характеристики через складність проведення випробувань, великі трудовитрати і великий об'єм кріогенного компонента, який використовують під час випробувань. Відомим є спосіб опресування багатошарової циліндричної обичайки, який ґрунтується на тому, що заповнюють ємність водою, створюють у ємності надлишковий тиск для опресування обичайки (випробування на міцність), скидають надлишковий тиск (див. патент РФ №2.389.577, МПК B21D 22/00, 2007 р.). Недоліком цього способу випробувань є його низькі експлуатаційні характеристики через обмежені можливості, тому що його неможливо використовувати для випробувань кріогенної ємності. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип спосіб контролю герметичності ємностей при кріогенній температурі, який втілений у авт. св. СРСР №1.795.320, МПК G01M 3/00, 1976р. Цей спосіб ґрунтується на тому, що ємність охолоджують до кріогенної температури і заповнюють ємність кріогенним компонентом. Недоліком цього способу є його невисокі експлуатаційні характеристики через його обмежені можливості, тому що він призначений тільки для проведення випробувань на герметичність і не дозволяє провести випробування опресування кріогенної ємності, що не дає гарантії якості кріогенної ємності, яку випробують, а також складність проведення випробувань, які потребують спеціально обладнану камеру і оснащення і, відповідно, великі трудовитрати і великий об'єм кріогенного компонента, який використовують під час випробувань. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого спосіб контрольних випробувань кріогенної ємності, який би дозволяв підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: - контроль герметичності проводиться поетапно на циліндричних частинах і днищах кріогенної ємності, а перед цим додатково проводяться випробування їх на міцність кріогенним компонентом, потім здійснюється їх зварювання, після чого проводяться випробування кільцевих зварних швів на міцність при нормальній температурі порожньої кріогенної ємності з урахуванням дії сумарного осьового навантаження від дії надлишкового внутрішнього тиску і зовнішніх корпусних розтяжних навантажень і проводяться випробування зварних швів на герметичність, що дозволяє спростити проведення випробувань. Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому способі контрольних випробувань кріогенної ємності, що включає контроль герметичності з використанням охолодження кріогенним компонентом, в ньому контроль герметичності проводять поетапно на циліндричних частинах і днищах кріогенної ємності, а перед цим додатково проводять випробування їх на міцність кріогенним компонентом, потім здійснюють їх зварювання, після чого проводять випробування кільцевих зварних швів на міцність при нормальній температурі 1 UA 117095 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 порожньої кріогенної ємності з урахуванням дії сумарного осьового навантаження від дії надлишкового внутрішнього тиску і зовнішніх корпусних розтяжних навантажень і проводять випробування зварних швів на герметичність. Для пояснення способу випробувань додаються креслення, на яких схематично зображений стенд, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. На кресленнях зображено: на фіг. 1 - схема реалізації способу контрольних випробувань циліндричних частин кріогенної ємності на міцність надлишковим тиском кріогенного компонента; на фіг. 2 - схема реалізації способу контрольних випробувань днища кріогенної ємності на міцність надлишковим тиском кріогенного компонента; на фіг. 3 - схема реалізації способу контрольних випробувань кріогенної ємності осьовим розтяжним навантаженням. Пристрій, в якому реалізується даний спосіб, містить технологічну оснастку у вигляді основи 1 (фіг. 1) для циліндричної частини 2 з зовнішньою поверхнею 3 кріогенної ємності 4, додаткової основи 5 (фіг. 2) для днища 6 кріогенної ємності 4 з порожниною 7, підставки 8 з траверсою 9 (фіг. 3) для кріогенної ємності 4 зі зварними швами 10, плити 11 з порожниною 12, кільця 13 з болтами 14, ущільнень 15, силових збудників 16. Випробування проводять поетапно на окремих частинах ємнісних конструкцій (на циліндричних частинах і днищах). Проектування кріогенної ємності з урахуванням кріогенного зміцнення матеріалів, з яких вона виготовлена, дозволяє зменшити товщину циліндричних частин і днищ кріогенної ємності, що випробують, і, відповідно, призводять до зменшенню маси кріогенної ємності, що є визначальним під час проектування ракетної техніки. На першому етапі циліндричну частину 2 (фіг. 1) кріогенної ємності 4 при вертикальному положенні її поздовжньої осі розміщують між основою 1 і плитою 11. Отриману порожнину 12 між циліндричною частиною 2, основою 1 і плитою 11 герметизують ущільненням 15, виготовленим, наприклад, з пароніту, за допомогою силових збудників 16. Охолоджують порожнину 12 шляхом заливання її кріогенним компонентом (наприклад, рідким азотом) і навантажують надлишковим тиском (тобто проводять випробування на міцність): Рнад.=k•Ре, де Рнад. - надлишковий тиск; k - коефіцієнт підвищення експлуатаційного тиску під час випробувань; Ре - максимальний експлуатаційний тиск у випробувальній частині конструкції (відповідної обичайки або відповідного днища кріогенної ємності). Витримують порожнину 12 під надлишковим тиском кріогенного компонента заданий час (наприклад, від 5 до 10 хвилин). Здійснюють скидання тиску шляхом зливання кріогенного компонента, виконують сушіння циліндричної частини 2 кріогенної ємності 4. Виконують випробування на герметичність кожної з циліндричних частин 2 кріогенної ємності 4, наприклад, шляхом контролю проникаючими речовинами (див. авт. св. СРСР № 366.370, МПК G01М3/02, 1973 р.), для чого, наприклад, порожнину 12 заповнюють водою з проникаючою речовиною, а на зовнішню поверхню 3 наносять покриття спеціальним складом, при цьому про ступінь негерметичності циліндричної частини 2 кріогенної ємності 4 роблять висновок по появленню кольорових плям на зовнішній поверхні 3. Здійснюють зливання води з проникаючою речовиною, чищення і сушіння циліндричних частин 2 кріогенної ємності 4. У випадку виявлення дефектів проводять рентгеноконтроль з наступним усуненням місць негерметичності. При необхідності контроль герметичності циліндричних частин 2 кріогенної ємності 4 повторюють. Аналогічно, на другому етапі проводять контрольні випробування днищ 6 (фіг. 2) кріогенної ємності 4, при цьому кожне з днищ 6 розміщують на додатковій основі 5. Отриману порожнину 7 між днищем 6 кріогенної ємності 4, додатковою основою 5 і кільцем 13 герметизують ущільненням 15 за допомогою болтів 14. Охолоджують порожнину 7 шляхом заливання її кріогенним компонентом (наприклад, рідким азотом) і навантажують надлишковим тиском: Рнад.=k•Ре. Витримують порожнину 7 під надлишковим тиском кріогенного компонента заданий час (наприклад, від 5 до 10 хвилин). Здійснюють скидання тиску шляхом зливання кріогенного компонента, виконують сушіння кожного днища 6 кріогенної ємності 4. Проводять випробування на герметичність кожного днища 6, аналогічно вищенаведеним випробуванням циліндричних частин 2 кріогенної ємності 4. Здійснюють зливання води з проникаючою речовиною, чищення і сушіння днищ 6 кріогенної ємності 4. У випадку виявлення дефектів проводять рентгеноконтроль з наступним усуненням місць негерметичності. При необхідності контроль герметичності днищ 6 кріогенної ємності 4 повторюють. На третьому етапі здійснюють зварювання циліндричних частин 2 кріогенної ємності 4 між собою і днищами 6 кріогенної ємності 4. Проводять випробування кільцевих зварних швів 10 без 2 UA 117095 U 5 10 15 20 25 30 35 40 заповнення кріогенної ємності 4 кріогенним компонентом (фіг. 3). Випробування проводять шляхом навантаження кріогенної ємності 4 сумарним осьовим навантаженням, яке включає навантаження від дії надлишкового внутрішнього тиску і зовнішніх корпусних розтяжних навантажень за допомогою підставки 8 і траверси 9: N=k•Ре•F+Nзовk•Ре•F•σвt (-196 °C)/σвt (20 °C), де N - сумарне осьове навантаження від дії максимального надлишкового внутрішнього тиску у кріогенній ємності і зовнішніх корпусних розтяжних навантажень; k - коефіцієнт підвищення експлуатаційного тиску під час випробувань; Ре - максимальний експлуатаційний тиск під час випробувань; F - площа по діаметру циліндричної частини ємності; Nзов - зовнішнє корпусне розтяжне навантаження; σвt (-196 °C)- границя міцності при температурі мінус 196 °C; σвt (20 °C) - границя міцності при температурі 20 °C. Сумарне осьове навантаження не повинно перевищувати додаткових напружень у зварному шві. Після цього проводять випробування кільцевих зварних швів 10 на герметичність, для чого, наприклад, наносять спеціальний склад на зовнішню поверхню 3 тільки у місцях кільцевих зварних швів 10, заповнюють кріогенну ємність 4 водою з проникаючою речовиною, створюють надлишковий тиск, витримують кріогенну ємність 4 під надлишковим тиском для виявлення негерметичності. У випадку виявлення дефектів проводять рентгеноконтроль з наступним усуненням місць негерметичності. При необхідності контроль герметичності кріогенної ємності 4 повторюють. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє розширити його можливості і спростити його, зменшити трудовитрати на його проведення і зменшити кількість компонента, необхідного для проведення випробувань. Схема зварних швів кріогенної ємності наведена у книзі "Конструкция управляемых баллистических ракет" под ред. А.М. Синюкова и Н.И. Морозова, М., "Воениздат". - 1969. - С. 222. Кріогенний компонент охолоджують за патентом України № 110307, MПK F25J1/00, 2016 р. Механічну міцність панелей обичайок визначають за патентом України № 92339u, G01М7/00, B64G5/00, 2014 р. Розміри ємності можна визначати за патентом РФ №2.583.421, МПК G01В5/20, G06F17/00, B64G5/00, 2015 р., а встановлення ємності у технологічну оснастку для випробувань можна здійснювати за патентом РФ №2.564.467, МПК B64G5/00, G01М1/04, 2014 р. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб контрольних випробувань кріогенної ємності, що включає контроль герметичності з використанням охолодження кріогенним компонентом, який відрізняється тим, що контроль герметичності проводять поетапно на циліндричних частинах і днищах кріогенної ємності, а перед цим додатково проводять випробування їх на міцність кріогенним компонентом, потім здійснюють їх зварювання, після чого проводять випробування кільцевих зварних швів на міцність при нормальній температурі порожньої кріогенної ємності з урахуванням дії сумарного осьового навантаження від дії надлишкового внутрішнього тиску і зовнішніх корпусних розтягуючих навантажень і проводять випробування зварних швів на герметичність. 3 UA 117095 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4