стенд для испытания труб внутренним давлением и на изгиб и гидравлическая система стенда

Формула изобретения

1. Стенд для испытания труб внутренним давлением и на изгиб, состоящий из устройства нагружения испытуемой трубы изгибом и гидравлической системы для нагружения испытуемой трубы изгибом и внутренним давлением, причем устройство нагружения испытуемой трубы изгибом содержит плиту с опорами, гидроцилиндры, тяги, опорные и нагрузочные траверсы с профилированными ложементами, контактирующими с испытуемой трубой, отличающийся тем, что гидроцилиндры шарнирно закреплены на плите и при помощи тяг шарнирно соединены с нагрузочными траверсами, а опоры соединены с опорными траверсами посредством упругих тяг для обеспечения беспрепятственного изгиба испытываемой трубы в процессе ее нагружения внутренним давлением и изгибающим моментом.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что он снабжен системой управления устройством нагружения испытуемой трубы изгибом и гидравлической системой в виде электронной аппаратуры, оснащенной компьютером.

3. Стенд по п.1 или 2, отличающийся тем, что система управления устройством нагружения испытываемой трубы изгибом и гидравлической системой включает датчики силы для измерения усилий на штоках гидроцилиндров, датчик давления для измерения давления в испытываемой трубе, датчики перемещения для измерения перемещений штоков гидроцилиндров.

4. Гидравлическая система стенда для испытания труб внутренним давлением и на изгиб, состоящая из контуров подачи масла в гидроцилиндры и среды в испытываемую трубу, отличающаяся тем, что содержит двухконтурный преобразователь давления, один из контуров которого заполнен водой для создания внутреннего давления в испытываемой трубе, а другой - гидравлическим маслом для управления преобразователем давления совместно с гидроцилиндрами устройства нагружения испытываемой трубы изгибом, водяной насос низкого давления для заполнения водой испытываемой трубы и первого контура двухконтурного преобразователя давления, и насос высокого давления для подачи гидравлического масла через блок распределительных клапанов к гидроцилиндрам устройства нагружения испытываемой трубы изгибом и второму контуру двухконтурного преобразователя давления.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что двухконтурный преобразователь давления выполнен в виде гидроцилиндра, состоящего из двух полостей - водяной и масляной, с единым штоком и двумя поршнями, по одному в каждой полости.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к испытательной технике и касается создания стенда для испытаний стальных труб магистральных нефтепроводов диаметром 1220, 1020, 820, 720, 530 мм на статическую и малоцикловую прочность при совместном нагружении внутренним давлением и изгибающим моментом, действующими в условиях реальной эксплуатации магистральных нефтепроводов при подъемах и сбросах давления перекачиваемой нефти, подвижках грунта, температурных перепадах в пределах климатических условий, подъеме трубопровода при капитальном ремонте и т.д.

Известно устройство для испытания труб на изгиб в условиях внутреннего давления (авт. св. СССР 1145271, опубл. 15.10.75), содержащее две скользящие опоры, установленные на них трубчатые державки для крепления испытываемой трубы, соединенную с ними систему подачи и вывода испытательной среды и прикрепленные к державкам симметрично расположенные относительно опор нагружающие приспособления, выполненные в виде навесных грузов, между которыми установлены опоры регулируемой высоты для ограничения прогиба испытываемой трубы.

Это устройство обеспечивает испытание трубы на циклический изгиб при периодическом подъеме и сбросе давления с помощью высоконапорного насоса, имитируя навесными грузами внешнее воздействие на трубу постоянного по величине изгибающего момента.

Недостатком данного устройства является невозможность имитировать переменные изгибающие моменты, вызываемые внешним воздействием на нефтепровод грунта, воды (подводные переходы) и температурных перепадов с периодичностью, отличающейся от периодичности изменения давления в нефтепроводе.

Известна установка для испытания трубчатых образцов при одновременном воздействии внутреннего давления и изгибающего момента, создаваемого с помощью нагружающих приспособлений, в состав которых входят гидроцилиндры (авт. св. СССР 162992, опубл. 27.05.1964). Однако используемые в этой установке гидроцилиндры не оснащены системой управления по величине силы, а следовательно, при периодическом подъеме и сбросе давления внутри трубчатого образца не обеспечивают заданной величины изгибающих усилий: при подъеме давления при закрепленном поршне гидроцилиндра нагружающее приспособление, препятствуя перемещениям образца, дополнительно его нагружает, а при свободно перемещающемся поршне изменяется объем полости гидроцилиндра над поршнем и, следовательно, нагрузка на образец.

Наиболее близким к предложенному стенду является установка для испытания сварных соединений трубчатых образцов (см. авт. св. СССР 170720 от 23.04.1965 г. ), позволяющая нагружать испытуемые образцы внутренним давлением и чистым изгибом. Указанная установка содержит устройство нагружения двух трубчатых образцов изгибом и гидравлическую систему, причем устройство нагружения имеет в своем составе силовую плиту (станину) с опорами, гидроцилиндры (гидропрессы), тяги (опорные колонны), опорные и нагрузочные траверсы с профилированными ложементами (бугелями), контактирующими с испытываемыми трубами, кривизна контактных поверхностей которых аналогична кривизне поверхности испытываемых труб.

Моделирование чистого изгиба труб с помощью этого устройства, конструктивно выполненного таким образом, что опорные колонны и два испытываемых образца образуют замкнутую шарнирную раму, осуществляется с использованием реактивных усилий, возникающих при нагружении с помощью гидропрессов одного образца, для нагружения через опорные колонны второго образца. В связи с этим недостатком данного устройства является чрезмерная громоздкость его конструкции при испытаниях труб магистральных нефтепроводов больших диаметров (1020 и 1220 мм).

Технический результат, на достижение которого направлено первое изобретение, заключается в создании в составе стенда компактного (для испытания одной трубы) изгибного устройства, обеспечивающего погружение испытываемой трубы чистым изгибом и требующего минимальных технических и временных затрат на установку труб различных диаметров.

Указанный результат достигается тем, что в стенде для испытания труб внутренним давлением и на изгиб, содержащем указанные выше узлы устройства нагружения двух трубчатых образцов изгибом, применены упругие тяги для крепления к опорам опорных траверс и шарнирные соединения в креплениях гидроцилиндров к силовой плите и через тяги с нагрузочными траверсами.

Известная гидравлическая система для испытания сварных соединений трубчатых образцов (авт. св. 170720) содержит два независимых контура, отличающихся как по техническому исполнению, так и по управлению, один из которых предназначен для подачи масла в гидроцилиндры в заданной последовательности, обеспечивая нагружение образцов изгибом, другой - для подвода среды, создавая внутреннее давление в образцах.

В связи с этим, чтобы обеспечить одновременное нагружение испытываемых образцов переменным внутренним давлением и переменным изгибающим моментом с заданными амплитудами и периодичностью изменения их величин, соответствующими условиям реальной эксплуатации магистральных нефтепроводов, потребовалось бы разработать специальную систему для совместного управления указанными контурами, что значительно усложнило бы данную установку.

Технический результат, на достижение которого направлено второе изобретение, заключается в оснащении гидравлической системы стенда специальным гидравлическим устройством с аналогичными гидроцилиндрам конструкцией и управлением, воспроизводящим внутреннее давление в трубе одновременно с ее нагружением при помощи гидроцилиндров изгибающим моментом с амплитудами и периодичностью изменения, соответствующими условиям реальной эксплуатации магистральных нефтепроводов.

Указанный результат достигается применением в составе гидравлической системы стенда для испытания труб внутренним давлением и на изгиб двухконтурного преобразователя давления в виде гидроцилиндра, состоящего из двух полостей, один из контуров которого заполнен водой для создания внутреннего давления в испытываемой трубе, а другой - гидравлическим маслом для управления преобразователем давления совместно с гидроцилиндрами, водяного насоса низкого давления для заполнения водой испытываемой трубы и первого контура преобразователя давления и насоса высокого давления для подачи гидравлического масла через блок распределительных клапанов к гидроцилиндрам и второму контуру преобразователя давления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показан общий вид стенда для испытаний труб внутренним давлением и на изгиб с трубным образцом;

на фиг. 2 и 3 - виды стенда с трубным образцом с торца соответственно опорного узла и нагрузочного узла.

Трубный образец состоит из испытываемой трубы 1, соединенной при помощи сварки с двумя цилиндрическими державками 2 и 3, герметично закрытыми эллиптическими днищами, в одну из которых (3) вварены штуцеры 4 и 5 для заполнения образца водой и выпуска воздуха, оснащенные запорной арматурой.

Стенд для испытания труб внутренним давлением и на изгиб (далее по тексту стенд) состоит из изгибного устройства и гидравлической установки.

Изгибное устройство содержит прямоугольную силовую плиту 6 с Т-образными продольными пазами, на углах которой закреплены болтами опоры 7. Симметрично относительно опор 7 вдоль плиты установлены парами четыре гидроцилиндра 8, закрепленные на силовой плите шарнирными соединениями 9. Т-образные продольные пазы выполнены в силовой плите 6 для перемещения опор 7 и гидроцилиндров 8 вдоль силовой плиты 6 на заданное расстояние друг от друга.

К каждой паре опор 7, размещенной на краю силовой плиты 6, при помощи тяг 10 подвешена опорная траверса 11 с профилированным ложементом 12, на который опирают торцевую часть державки трубного образца.

Конструкция тяг 10, изготовленных из пружинной стали, такова, что их упругий изгиб обеспечивает перемещение опорных траверс 11 и, следовательно, перемещение торцов трубного образца при изгибе испытываемой трубы 1.

Каждая пара гидроцилиндров 8 соединяется при помощи тяг 10 с нагрузочной траверсой 13, оснащенной профилированным ложементом 12, которым траверса 13 устанавливается на державку трубного образца. Нагрузочная траверса 13 состыкована с тягами 10 шарнирным соединением 14.

Применение шарнирных соединений 9 и 14 в сборке гидроцилиндров с силовой плитой 6 и через тяги 10 с нагрузочными траверсами 13 в сочетании с использованием упругих тяг 10 для крепления опорных траверс 11 к опорам 7 обеспечивает беспрепятственный изгиб испытываемой трубы 1 в процессе нагружения, исключая возникновение продольных (сдвиговых) усилий и появление раскачивания трубного образца.

Для предотвращения продавливания и разрушения стальных державок 2 и 3 трубного образца в зонах контакта с ложементами каждый ложемент 12 конструктивно выполнен из двух профилированных сегментов, соединенных между собой винтами и изготовленных из алюминиевого сплава с кривизной поверхности для контакта с трубным образцом, аналогичной кривизне поверхности образца. При этом номенклатура профилированных сегментов соответствует номенклатуре испытываемых труб 1.

Каждый гидроцилиндр 8 оснащен сервогидравлическим блоком 15 с клапанами для управления перемещением штока гидроцилиндра, датчиком силы 16 для измерения усилия на штоке и датчиком перемещения 17 для измерения перемещения штока.

Гидравлическая установка содержит двухконтурный (масло-вода) преобразователь давления, выполненный в виде гидроцилиндра 18, создающего давление воды внутри трубного образца, водяной насос 19 низкого давления для заполнения трубного образца и водяной полости гидроцилиндра 18 водой из резервуара 20, насос высокого давления 21 с системой воздушно-водяного охлаждения для подачи гидравлического масла к гидроцилиндрам 8 и 18 через блок распределительных клапанов 22.

Двухконтурный гидроцилиндр 18 выполнен с единым штоком и двумя поршнями, по одному в каждой полости. В верхней водяной полости гидроцилиндра 18, соединенной трубопроводами с трубным образцом и водяным насосом 19 низкого давления через обратный клапан 23, установлен датчик давления 24. В нижней полости гидроцилиндра 18, заполненной гидравлическим маслом под высоким давлением, установлены сервогидравлический блок 15 с клапанами для управления перемещением штока и датчик перемещения 17 для измерения перемещения штока. Управляемое в нижней полости цилиндра 18 движение штока приводит к созданию давления воды в верхней водяной полости и в трубном образце.

Стенд снабжен необходимой для управления электронной аппаратурой, размещенной в электрошкафу 25. При управлении стендом используется компьютер 26 (задание, запуск и остановка режимов нагружения, регистрация показаний датчиков силы, давления и перемещений) и установленные на передней панели электрошкафа 25 пульты (включение и выключение подачи гидравлического масла от насоса высокого давления 21 к гидроцилиндрам 8 и 18).

Стенд работает следующим образом.

На силовой плите 6 расставляют и закрепляют болтами опоры 7 с опорными траверсами 11 и симметрично относительно опорных траверс на расстоянии, обеспечивающем нагружение испытываемой трубы 1 заданным изгибающим моментом, две пары гидроцилиндров 8.

Трубный образец опирают торцами державок 2 и 3 на профилированные ложементы 12 опорных траверс 11. На эти же державки устанавливают профилированными ложементами 12 нагрузочные траверсы 13, которые через тяги 10 винтовыми соединениями прикрепляют к штокам гидроцилиндров 8.

Далее с помощью водяного насоса 19 низкого давления заполняют водой из резервуара 20 верхнюю полость гидроцилиндра 18 и трубный образец через штуцер 4 с выпуском воздуха через штуцер 5, запорную арматуру которого после заполнения водой закрывают. Включением пультов на электрошкафе 25 производится подача насосом высокого давления 21 гидравлического масла через блок распределительных клапанов 22 к гидроцилиндрам 8 и в нижнюю полость гидроцилиндра 18.

С помощью программного обеспечения компьютера 26 задаются статические (значение нагрузки, скорость нагружения, время выдержки под нагрузкой, время разгрузки) и циклические (значения нагрузок для треугольной, прямоугольной, трапециевидной, синусоидальной форм циклов, частота нагружения и количество циклов) режимы нагружения испытываемой трубы.

При запуске на компьютере 26 режима нагружения испытываемой трубы электронная аппаратура 25, регистрируя показания датчиков давления 24, сил 16 и перемещений 17, производит управление движением штоков гидроцилиндров 8 и 18 при помощи сервогидравлических блоков 15 с клапанами. По входящему электрическому сигналу в сервогидравлическом блоке поток гидравлического масла, поступающий под высоким давлением в гидроцилиндр 8 или 18, направляется либо в полость перед поршнем, что приводит к движению штока из гидроцилиндра, либо в полость за поршнем, что вызывает движение штока внутрь гидроцилиндра, создаваемые при этом силы и давление контролируются по показаниям соответствующих датчиков.

При перемещениях штоков внутрь гидроцилиндров 8 нагрузочные траверсы 13 через профилированные ложементы 12 надавливают на поверхность державок трубного образца, создавая требуемую поперечную нагрузку, изгибающую испытываемую трубу 1. При движении в нижней полости гидроцилиндра 18 штока вверх создается требуемое давление воды в его верхней полости и трубном образце. Периодические перемещения штоков гидроцилиндров 8 и 18 позволяют имитировать малоцикловое нагружение испытываемой трубы переменным изгибом и переменным внутренним давлением, действующим в условиях реальной эксплуатации магистральных нефтепроводов.

Результатом применения группы изобретений является повышение достоверности экспериментальной оценки статической и малоцикловой прочности стальных труб магистральных нефтепроводов путем испытания труб нагружением переменным внутренним давлением и переменным изгибающим моментом с амплитудами и периодичностью изменения, имитирующими нагрузки, действующие в условиях реальной эксплуатации магистральных нефтепроводов.