Устройство для испытания кольцевых соединений на прочность

Полезная модель относится к испытательной технике и является устройством - приспособлением к разрывным машинам, на которых определяют прочность на разрыв, изгиб кольцевых изделий. Такими изделиями могут быть кольца из плавленого металла и проката (сварные швы) и кольцевых изделий с многослойной стенкой и разных материалов, в том числе металлооксидными покрытиями. Модель состоит из двух серег, закрепляемых в захватах разрывной машины и цапф, соединяющих серьгу с испытуемым кольцом. Диаметр отверстия в серьге и кольце одинаковы с диаметром серьги. Стыкуются цапфы перед испытанием в кольце соосно под углом =arctg d/b, где b - ширина кольца; d - внутренний диаметр кольца. Предлагаемое устройство позволяет дифференцировано и качественно определять прочность сварного шва и основного металла при выборе режимов сварки при аттестации сварщиков и при поступлении новой партии труб, а также определять прочностные свойства металлооксидов по испытанию колец, отрезанных, например, от трубчатых магнетитовых анодов.

Предлагаемая полезная модель относится к испытательной технике, в частности к устройствам-приспособлениям к разрывным машинам при испытании на прочность кольцевых изделий. К таким изделиям относятся, например, кольцевые швы, вырезанные из трубных стыков, соединенных электродуговой или газовой сваркой и многослойные кольца из разнородных материалов.

Ближайший аналог предлагаемой модели представлен в стандарте: ГОСТ 9583-15, Чугунные раструбные трубы.

Аналог состоит из двух цельных крюков, укрепляемых в захватах разрывной машины и продетых в испытуемое кольцо высотой b=25 мм, вырезанное из трубы.

Внутренний диаметр чугунных литых труб Д_у регламентирован этим стандартом в пределах 65-1000 мм толщина стенки труб в пределах от 6,7 до 27,5 мм соответственно. Материал - серый чугун с прочностью по модулю R (эквивалент _в) не более 392 МПа (40 кгс/мм ²), твердость не более 2150 МПа(215 НВ).

Для колец из стали с прочностью в более 390 МПа (Ст.3, сталь 20), и колец из магнетита Fе₃O₄ с твердостью 4600-8000 МПа (470-810 HV) с внутренним диаметром d _к менее 50 мм. аналоги-крюки непригодны. Они разгибаются, в лучшем случае, или ломаются, несмотря на то, что изготовлены из высокопрочной стали. Основная причина: толщина крюка в охвате кольца всегда меньше половины площади охвата.

Задача предлагаемой полезной модели заключалась в создании устройства с высокой прочностью и долговечностью для испытания колец с

внутренним диаметром d_к менее 50 мм. из сплавов с прочностью большей, чем у чугунов.

Поставленная задача решена путем увеличения толщины крюка в охвате кольца до максимально возможного размера, т.е. до внутреннего диаметра самого кольца - d _к.

Таким образом, крюки, продетые сквозь испытуемое кольцо (как в аналоге), заменяются на цапфы (валки), стыкуемые в кольце, в пределах его высоты b. Движение цапфам, они перемещаются в противоположных направлениях, передается разрывной машиной посредством двух мощных серег (подвесок). В серьге цапфа сидит плотно или с небольшим натягом, а испытуемое кольцо надевается на цапфу свободно (диаметр цапфы должен быть немногим меньше диаметра кольца - d_к).

Предлагаемое устройство модели показано на фиг. Устройство содержит две одинаковые «Г»-образные серьги (1). В серьге два взаимно перпендикулярных с общей диаметральной плоскостью отверстия: одно для крепления тяги (2) разрывной машины, другое - для цапфы (3).

С целью исключения перекоса кольца при растяжении и равномерного контакта его с цапфой, стыковка цапф внутри кольца сделана косая, под углом <90°С (угол перекрытия или стыковки). Угол перекрытия () выбирается из условия равного сопротивлению цапфы изгибу по длине, равной высоте кольца b. Для этого предельная величина не должна быть выше значений:

arctg d_к/b (или arcctg b/d_к),

где b - высота кольца; d_к - внутренний диаметр кольца.

Каждая пара серег, с одним посадочным диаметром под цапфу, комплектуется набором цапф с таким же диаметром посадки, но с разными диаметрами под кольца в соответствии с номенклатурой выпускаемых труб и их соединений (сварных, паяных).

Значения показателя b зависят от конструктивных и технологических особенностей кольца и достоверности ожидаемых результатов вычислений по формулам, содержащим этот показатель.

Примеры.

При испытании трубного металла - кольца могут быть разные: бесшовные - горячекатаные, холоднодеформированные и с продольным швом по длине b, полученном термо- или электросваркой. Следовательно, высота кольца b будет устанавливаться в зависимости от толщины стенки испытуемой трубы.

При испытании трубного сварного стыка высота кольца будет равна ширине валка (шва) наплавленного металла, так при толщине стенки свариваемых труб до 6 мм, ширина валика, т.е. величина b, обычно не превышает 10-12 мм ([1, 2] ГОСТ 16037-80 Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры; ГОСТ 16038-80 Сварка дуговая. Соединения сварные трубопроводов из меди и медно-никелевого сплава. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.)

Работа предлагаемого устройства.

Закрепив серьги с цапфами в захватах разрывной машины и включив ее ход, стыкуют цапфы так, чтобы не было смещения боковых поверхностей по вертикали. При этом серьги должны быть параллельны между собой. Размыкают стык, надевают кольцо на одну цапфу, вставляют в него вторую, после чего включают рабочий ход машины.

Эффективность применения предлагаемой модели.

Пример из проведения механических испытаний сварных стыков, выполняемых ручной дуговой сваркой (РДС) при квалификационных испытаниях сварщиков и при проверке технологии сварки стыков стальных газопроводов.

Правила ([3, 4] Строительные нормы и правила СНиП 42-01-2003, 28с.; Правила аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства

ПБЩ3-273, М.: ПИО ОБТ, 2004, 148 с.) регламентируют механические испытания на растяжение цельных стыков из стальных труб с Д_у50 мм (Д_уd_к).

Цельный стык - это сварной патрубок длиной не менее 300 мм со швом посередине (т.е. сварены 2 патрубка по 150 мм). Трубы, в большинстве своем, изготовлены из углеродистой стали марки: Ст 2, Ст 3, сталь 10, 20, с пределом прочности на разрыв _i=350-470 МПа. По ТУ на газопровод сварку ведут электродами типа Э46, Э50 (цифры «46», «50» указывают нижний предел прочности _в в кгс/мм² ). На каждое положение сварки (вертикальное или горизонтальное) требуется не менее 3 патрубков, что требует расхода трубы не менее 1 м. на один режим или положение сварки. При неудовлетворительных результатах, хотя бы одного испытания, количество образцов удваивается, т.е. требуется еще 2 м труб.

В течение 5 лет (2000-2005 гг.) испытано 1060 сварных образцов (полосовых, вырезанных из труб с Д_у>50 мм м патрубков с диаметром Д_у=20-35 мм (210 шт).Из них 99.8% - выдержали испытания на разрыв: шов цел, а разрушение произошло по основному металлу (трубе). Проверки на герметичность газо- и паропроводов показали до 20% утечек. Стыки пришлось подваривать.

Несоответствие результатов механических испытаний и утечек объяснимо двумя причинами:

1. Наплавленный метал из электродов Э46 и Э50 при двухпроходной сварке обеспечил прочность шва заведомо выше прочности трубы.

2. Патрубки свариваются в цеховых условиях, а газо- водопровод, чаще свариваются на открытом воздухе - в поле, на эстакаде. Поэтому качество сварного шва зависит от уровня профессиональной подготовки и добросовестности сварщика.

В целом, испытания сварных патрубков, согласно правилам [3, 4] по существу есть испытания трубного металла, свойства которого имеются в соответственных сертификатах качества.

Результаты сравнительных испытаний сварных соединений из труб с Д_у=20÷25 (или d_к=22÷27.5 соответственно) представлены в таблице, из которой видно, что испытания с применением предлагаемого устройства более информативны при меньшем расходе металла.

Таблица
Показатель	Испытание цельных стыков по [3, 4]	Испытание колец высотой b12 мм
		Из трубы	Сварной шов (наплавка)
Количество образцов из одного п.м. трубы на один режим или положение сварки	3	3-5в зависимости от трубы: со швом или без шва	3-4
Место и характер разрушения	У зоны термического влияния или в другом месте трубы, шов цел	В дефектных местах трубы или по продольному шву (определяет качество трубы)	По месту дефекта в сварном шве или в трубе под швом
Предел прочности в, кгс/мм	Подтверждает или не подтверждает сертификат	От 25 до 40*	От 33 с дефектом до 70 без дефектов
* - приложенная сила Р действует поперек волокон трубы. Сказывается анизотропность текстуры трубного проката.

1. Устройство, применяемое для испытания на разрывных машинах кольцевых изделий (например, кольцевых швов, вырезанных из сварных трубных стыков), содержащее два крюка, закрепляемых в захватах разрывной машины и в кольце, отличающееся тем, что крюки выполнены составными из серьги и цапфы, вставляемой соосно в отверстие серьги и кольца одинаковых диаметров, при этом цапфы стыкуются в пределах высоты кольца.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цапфы стыкуются в кольце под углом =arctg d/b, где b - ширина кольца; d - внутренний диаметр кольца.