Спосіб гідравлічних досліджень трубопроводів теплових мереж підвищеним тиском

Реферат: Спосіб гідравлічних досліджень трубопроводів теплових мереж підвищеним тиском, в якому навантажують фрагмент трубопроводу внутрішнім тиском робочого середовища до руйнування і реєструють поточні параметри навантажування, деформування та температури. Попередньо виготовляють термогідравлічний генератор тиску у вигляді посудини заданої міцності і жорсткості, забезпечений нагрівальним елементом, а як фрагмент досліджуваного трубопроводу застосовують трубчастий зразок, матеріал, діаметр і товщина стінки якого є тотожними до матеріалу, діаметра і товщини стінки досліджуваного трубопроводу, з'єднують порожнини зразка і термогідравлічного генератора тиску та заповнюють їх робочим середовищем, герметизують робочий об'єм порожнин трубчастого зразка і термогідравлічного генератора тиску, а для створення необхідного тиску у порожнині зразка здійснюють програмоване нагрівання-охолодження робочого середовища у порожнині термогідравлічного генератора тиску. UA 96580 U (12) UA 96580 U UA 96580 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до трубопровідного транспорту, обладнання енергетичних установок і може бути використана для випробування зразків елементів трубопроводів та натурних об'єктів тиском робочого середовища на міцність в експлуатаційних умовах. Пропонований спосіб дозволяє, зокрема, визначити момент руйнування трубопроводу, вивчати закономірності витікання води через тріщини при заданій зміні тиску, вибрати оптимальні режими експлуатації трубопроводів і, як наслідок, підвищити ресурс та безпечну експлуатацію трубопроводу протягом визначеного ресурсу. Найближчим аналогом до пропонованої корисної моделі за кількістю суттєвих ознак є спосіб гідравлічних досліджень трубопроводів теплових мереж підвищеним тиском, під час якого навантажують фрагмент трубопроводу внутрішнім тиском робочого середовища до руйнування і реєструють поточні параметри навантажування, деформування та температури [Патент на винахід № 2364849, Росія, Опубліковано: 20.08.2009]. Згідно із згаданим способом здійснюють навантажування фрагмента діючого трубопроводу. При цьому фрагмент трубопроводу навантажують тиском води, значення якого перевищує робочий тиск, витримують під тиском певний час, після чого тиск знижують, проводять огляд елементів трубопроводів. При цьому дослідження вважають такими, що витримали гідравлічні випробування, якщо в процесі випробувань і при огляді не виявлено течі і/або розриву металу, а під час витримки трубопроводу під визначеним тиском води падіння тиску не виходило за встановлені межі. Недоліком такого способу є його складність і високі витрати, пов'язані з необхідністю проводити дослідження на певній ділянці діючого трубопроводу та застосування при цьому досить складного обладнання. В основу пропонованої корисної моделі поставлена задача створення такого способу гідравлічних досліджень трубопроводів теплових мереж підвищеним тиском, який би дозволив проводити дослідження з використанням простого і економічного устаткування за рахунок створення умов для регулювання тиску на стінку зразка шляхом використання зміни об'єму робочого середовища у замкненій порожнині зразка через його збільшення-зменшення при його нагріванні-охолодженні. Пропонований, як і відомий спосіб гідравлічних досліджень трубопроводів теплових мереж підвищеним тиском, під час якого навантажують фрагмент трубопроводу внутрішнім тиском робочого середовища до руйнування і реєструють поточні параметри навантажування, деформування та температури, в якому згідно з корисною моделлю, попередньо виготовляють термогідравлічний генератор тиску у вигляді посудини заданої міцності і жорсткості, забезпеченого нагрівальним елементом, а як фрагмент досліджуваного трубопроводу застосовують трубчастий зразок, матеріал, діаметр і товщина стінки якого є тотожними до матеріалу, діаметра і товщини стінки досліджуваного трубопроводу, з'єднують порожнини зразка і термогідравлічного генератора тиску та заповнюють їх робочим середовищем, герметизують робочий об'єм порожнин трубчастого зразка і термогідравлічного генератора тиску, а для створення необхідного тиску у порожнині зразка здійснюють програмоване нагрівання-охолодження робочого середовища у порожнині термогідравлічного генератора тиску. Особливістю пропонованого способу є і те, що як робоче середовище використовують або дистильовану воду, або гліцерин. Суть пропонованого способу пояснюється за допомогою ілюстративних матеріалів. На фіг. 1 показана залежність об'ємного модуля пружності води від температури при значенні тиску у порожнині зразка - 22, 40 і 100 МПа. На фіг. 2 показаний досліджуваний зразок і характер руйнування зразка у процесі його навантажування. На фіг. 3 показаний досліджуваний зразок з тріщиною для його програмного навантаження. На фіг. 4 показаний досліджуваний зразок з тріщиною для його циклічного навантаження. Приклад 1. Досліджували циліндричний зразок - фрагмент трубопроводу промислової теплової мережі - внутрішнім тиском до руйнування. Розміри зразка: внутрішній діаметр - 57 мм, зовнішній - 65 мм, загальна довжина - 110 мм. На робочій довжині зразка 20 мм зовнішній діаметр має розмір 58,6 мм, товщина стінки - 1,5 мм. На торцях вварені заглушки у вигляді дисків завтовшки 12 мм з отворами для підведення і виходу робочого середовища і повітря. Зразок з'єднували з робочою посудиною і датчиком тиску мідною трубкою з внутрішнім діаметром 6 мм, зовнішнім 8 мм і довжиною 1 м. Робоча посудина мала вигляд циліндра з внутрішнім діаметром 127 мм, зовнішнім 160 мм, загальною довжиною 1 м і довжиною внутрішнього об'єму 0,9 м. У середині циліндра вварювали трубку для вимірювання температури води в центрі робочої посудини. На торцях вварювали заглушки у вигляді дисків завтовшки 30 мм з отворами для підведення і виходу робочого середовища та повітря. Як 1 UA 96580 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 робоче середовище використовували дистильовану воду, що мала обмежений контакт з повітрям. Водою послідовно заповнювали робочу посудину, з'єднувальну трубку і порожнину зразка з можливістю максимально повного видалення повітря. Об'єм герметизували. Встановлювали датчики переміщень на зразку. Нагрівали ззовні поверхню робочої посудини за допомогою теплонагрівальних елементів. Реєстрували значення температури води в робочій посудині, переміщення зразка і тиск води. Об'єм води в робочій посудині складав 11,4 л. При апроксимації залежності коефіцієнта об'ємного розширення води в діапазоні від 0 до +120 °C, нагрівання води від +20 °C до +100 °C, призводило до її розширення на 4 % або на 0,45 л. Враховуючи об'ємний модуль води Е=2000 МПа, таке її розширення в замкнутому абсолютно жорсткому об'ємі викликало збільшення тиску до 80 МПа. З урахуванням пружного і теплового розширення робочої посудини, пружної і непружної деформацій зразка, з'єднувальної трубки, стискування холодної води в зразку, а також неусунених м'яких домішок, тиск знижувався до 70 МПа. Для збільшення тиску можна гріти воду в робочій посудині вище +100 °C, але за необхідності і захисту людей і устаткування від потужного вибуху у момент руйнування зразка, підвищення температури вище +100 °C не виконували. Враховуючи зниження модуля пружності води (фіг. 1) під час наближення до температури критичної точки +374,12 °C, вище за яку вода не може бути рідкою при будь-якому тиску, нагрівання до 200 °C і термічне розширення води викликає збільшення тиску до 144 МПа. Подальший нагрів води призводить до зниження тиску внаслідок швидкого зниження модуля пружності води, швидкість якого більша за швидкість розширення води. З урахуванням пружного і теплового розширення робочої посудини, пружної і непружної деформації зразка, з'єднувальної трубки, стискування холодної води в зразку та неусунених м'яких домішок, тиск знизиться до 100 МПа. Фактично зразок руйнувався при температурі води в робочій посудині +81,5 °C при значенні тиску води у порожнині зразка 43,77 МПа (фіг. 2). До +70 °C зразок деформувався практично пружно, від +70 °C до +80 °C - при незначних пластичних деформаціях (менш пружних), від +80 °C до +81,5 °C - при пластичних деформаціях на порядок більших, за пружні без помітної зміни тиску. Таким чином, при тиску 43,77 МПа на пружну деформацію зразка використовується 0,0062 л, на його руйнування - 0,015 л. Враховуючи теплове розширення води в робочій посудині 0,296 л, її пружне стискання 0,25 л, пружне і теплове розширення робочої посудини відповідно 0,0124 л і 0,0124 л, пружне розширення 0,00005 л трубки, а також пружне стискання води в трубці 0,0056 л і в зразку - 0,00732 л отримували пружне стискання неврахованих м'яких домішок, яке в даному випадку становило 0,0025 л. Без очищення від м'яких домішок тиск зменшується на порядок. Приклад 2. Випробовували циліндричний зразок - фрагмент трубопроводу промислової теплової мережі - внутрішнім тиском за програмним навантаженням. Розміри зразка: внутрішній діаметр - 57 мм, зовнішній - 65 мм, загальна довжина - 135 мм, товщина стінки - 0,3 мм. На робочій довжині 55 мм діаметром 65 мм на зразку виконували паз, напрямок якого співпадав з твірною, ширина паза - 3 мм, довжина - 35 мм, глибина -3,7 мм. На торцях вварювали заглушки у вигляді дисків товщиною 12 мм з отворами для підведення і виходу робочого середовища та повітря. Зразок з'єднували з такою ж робочою посудиною як і в першому прикладі. При температурі води в робочій посудині +60,8 °C і тиску в порожнині зразка 21,61 МПа у стінці зразка утворилася тріщина і через неї почалося витікання води (фіг. 3). Внаслідок витікання води через тріщину при відключеному нагріві тиск в зразку зменшувався. При тиску 13,76 МПа витікання води припинилося внаслідок закриття тріщини. Після включення нагріву води в робочій посудині тиск збільшувався до 19,55 МПа, після чого, тріщина відкрилася повторно. Нагрівання води до 60,8 °C в робочій посудині призвело до її розширення на 0,194 л і появи тріщини. Подальший нагрів води і її розширення використовували для вивчення закономірностей витікання води через тріщини при заданій зміні тиску. Приклад 3. Випробовували циліндричний зразок - фрагмент трубопроводу промислової теплової мережі - внутрішнім тиском при його циклічному навантажуванні. Розміри зразка: внутрішній діаметр - 57 мм, зовнішній - 65 мм, загальна довжина - 155 мм, товщина стінки - 2,5 мм. На робочій довжині 55 мм діаметром 65 мм на стінці зразка виконували поздовжній паз шириною 3 мм, довжиною 35 мм та глибиною 1,5 мм. На торцях вварювали заглушки у вигляді дисків завтовшки 20 мм з отворами для підведення і виходу робочого середовища і повітря. Зразок з'єднували з такою ж робочою посудиною, як і в першому прикладі. Орієнтовна оцінка тиску, необхідного для руйнування зразка становить близько 100 МПа. Для випробування такого зразка як робоче середовище використовували гліцерин, тому що з водою важко досягти такого 1 тиску. Коефіцієнт об'ємного розширення гліцерину 0,0059 К" і він мало залежить від 2 UA 96580 U 5 10 температури. Температура кипіння чистого гліцерину 290 °C, технічного із вмістом води 5 % 160-161 °C. Нагріваючи 11,4 л гліцерину від 20 °C до 160 °C збільшуємо його об'єм на 0,94 л. Враховуючи, що об'ємний модуль гліцерину Е=4550 МПа, таке його розширення в замкнутому абсолютно жорсткому об'ємі призведе до збільшення тиску величиною 375 МПа. Для вивчення закономірностей витікання води через тріщини зразок і проміжна ємність для запасу води заповнюється водою. З урахуванням пружного і теплового розширення робочої посудини, пружної і непружної деформації зразка, проміжної ємності, з'єднувальної трубки, стискання холодної води в зразку і проміжній ємності, а також не усунених м'яких домішок, тиск знизиться до 250 МПа. Для навантаження зразка тиском 100 МПа робочу посудину циклічно нагрівали до +71 °C, що призводило до збільшення загального об'єму рідини на 0,37 л. Додаткове збільшення загального об'єму рідини на 0,94-0,37=0,57 л при нагріві робочої посудини до +160 °C можна використовувати для вивчення закономірностей витікання води через тріщину при заданій зміні тиску (фіг. 4). 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 1. Спосіб гідравлічних досліджень трубопроводів теплових мереж підвищеним тиском, в якому навантажують фрагмент трубопроводу внутрішнім тиском робочого середовища до руйнування і реєструють поточні параметри навантажування, деформування та температури, який відрізняється тим, що попередньо виготовляють термогідравлічний генератор тиску у вигляді посудини заданої міцності і жорсткості, забезпечений нагрівальним елементом, а як фрагмент досліджуваного трубопроводу застосовують трубчастий зразок, матеріал, діаметр і товщина стінки якого є тотожними до матеріалу, діаметра і товщини стінки досліджуваного трубопроводу, з'єднують порожнини зразка і термогідравлічного генератора тиску та заповнюють їх робочим середовищем, герметизують робочий об'єм порожнин трубчастого зразка і термогідравлічного генератора тиску, а для створення необхідного тиску у порожнині зразка здійснюють програмоване нагрівання-охолодження робочого середовища у порожнині термогідравлічного генератора тиску. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як робоче середовище використовують або дистильовану воду, або гліцерин. 3 UA 96580 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 4