1 классификация оборудования для испытаний на внутреннее давление

1. Требования к оборудованию

Методы и средства испытаний на внутреннее давление должны обеспечивать достаточную точность измерения давлений, деформаций и температур (1%), возможную автоматизацию процессов нагружения и нагрева, непрерывную запись зависимости между давлением и деформацией, безопасность проведения испытаний и дистанционность управления, что особенно важно при пневмоиспытаниях.

1.1.1 Рабочие среды. В качестве рабочей среды для создания давления может быть использована жидкость (вода, масло, керосин, глицерин и др.) или газ (воздух, азот и др.). При выборе рабочей среды, особенно для длительных испытаний, следует учитывать возможное влияние среды (например, коррозийное) на материал изделия и применять пассивные среды или вводить при необходимости добавки (типа хромпика) в воду, нейтрализующие это влияние.

С точки зрения безопасности предпочтительнее гидравлические испытания. Пневматические испытания проводят при контрольных испытаниях на герметичность; при испытаниях изделий, не приспособленных для заполнения жидкостью, или изделий, последующее использование которых не допускает следов жидкости; в случаях, когда нагрузки, создаваемые жидкостью, недопустимы для опор и фундамента; при высокотемпературных испытаниях, а также при исследованиях влияния запасов упругой энергии.

При пневматических испытаниях в связи с накоплением в системе при нагружении значительных запасов упругой энергии сжатых газов требуются надежные меры защиты. Испытания проводят обычно при дистанционном управлении в специальных бронекамерах. Безопасность гидравлических испытаний (особенно крупногабаритных изделий) может гарантироваться, однако, только при условии обеспечения полного удаления воздуха при заполнении образца или изделия жидкостью, для чего в системах нагружения предусматриваются специальные устройства [1].

1.1.2 Системы нагружения. Одним из основных элементов системы является при гидравлических испытаниях насос, при пневмоиспятаниях - компрессор или баллон со сжатым газом. Для повышения уровня давления в системе применяют гидроусилители (мультипликаторы).

Насосы и компрессоры должны обеспечивать давление на 10-20% выше требуемого, плавное нарастание и минимальную пульсацию давления в процессе испытаний.

При испытаниях на циклическое давление в системы вводят устройства автоматического изменения давления. Обычно испытания проводят по пульсирующему или близкому к нему циклу с небольшой степенью асимметрии (R=0,050,1), имитирующему зарядку-разрядку изделий, по асимметричному циклу с высокой статической подгрузкой, отражающему влияние эксплуатационных температурных перепадов, или по иной форме цикла, отвечающей конкретной задаче исследования. Для реализации режима повторного нагружения с выдержкой по времени на максимальном или минимальном давлении в систему управления включают соответствующие автоматические устройства. Частота циклического изменения давления определяется главным образом производительностью насоса, изменением объема образца-сосуда при нагружении и составляет обычно от одного до десяти циклов в минуту. Электрогидравлические установки, снабженные следящими системами программного регулирования с обратными связями, позволяют выполнять произвольные режимы нагружения и при соответствующей производительности насосов и ЭГР повысить более чем на порядок частоты нагружения.

Испытания на внутреннее давление сосудов и образцов при пониженных и повышенных температурах сложны и трудоемки в связи с отсутствием приемлемой жидкой рабочей среды для создания высоких давлений при температурах ниже -180^о и выше 300^оС. в случае применения газовых сред требуется специальная защита. Для испытаний при температурах, отличных от 20^оС, используют нагружающие системы, отличающиеся лишь тем, что объект испытания помещают в низко- или высокотемпературную камеру и в систему включают элемент позволяющий отделить специальную среду, которой заполняют сосуд или образец, от обычной рабочей среды нагнетания давления, идущей от насосной станции.

При испытаниях в интервале температур 20-300^оС образец помещают в печь электросопротивления; систему и образец до разделительного элемента заполняют жидкостью, способной выдерживать заданную температуру (вода, глицерин, силиконовое масло). С повышением давления температура кипения жидкостей растет, и, таким образом, повышается уровень температуры возможного их использования в качестве среды испытания. При более высоких температурах образец нагревают с помощью прямого пропускания тока, а в качестве среды используют газ.

Испытание внутренним давлением сосудов и образцов в интервале температур от 20 до -196^оС относительно несложно (в сравнении с более низкими температурами). Охлажденные образцы заполняют спиртом при умеренно низких температурах, очищенным изопентаном и жидким или газообразным азотом при более низких температурах.

Получение температур ниже -196^оС связано с большими трудностями, поэтому проведение испытаний сосудов и тем более полноразмерных изделий на внутреннее давление в этом интервале криогенных температур может быть оправдано лишь в исключительных случаях и заменено при необходимости испытаниями плоских и сферических сегментов. В качестве охлаждающих сред используют жидкие водород, неон или гелий, которые заполняют криостаты со специальным теплозащитным экраном и вакуумной изоляцией. При использовании жидкого водорода требуется взрывобезопасное помещение. Рабочая среда при нагружении высоким давлением - газообразный гелий, другие вещества в этом интервале температур при действии высокого давления переходят в твердое состояние. Образцы охлаждают обычно в два этапа, сначала жидким азотом до температуры приблизительно -200^оС, а затем до более низких температур - жидким гелием и его парами.

1.1.3 Измерительные устройства. Давление во время испытаний контролируют манометрами, устанавливаемыми в магистральных трубопроводах и за испытуемым объектом или вблизи него во избежание ошибок измерения действительного давления в образце или изделии из-за возможных потерь в системе.

При лабораторных и контрольных испытаниях используют образцовые манометры или манометры класса точности 0,5-1,0. Шкала номинального давления должна превосходить минимум на 30% предполагаемое измеряемое давление. Помимо механических манометров используют и электрические датчики давления - тензорезисторные и электромагнитные.

Температуру измеряют медь-константовыми или хромель-алюминиевыми термопарами, надежно работающими в интервале температур от -200^оС соответственно до 350 и 1100^оС. Температуры ниже -200^оС контролируют специальными полупроводниковыми сопротивлениями. Для регистрации деформаций образцов и изделий при нагружении их внутренним давлением применимы практически все современные методы и средства тензометрии: метод делительных сеток и струнные тензометры - для определения больших деформаций; тензорезисторы и механические тензометры, оптические активные покрытия - для измерения относительно малых деформаций. Для оценки напряженного состояния в зонах концентрации напряжений используют и оптические методы.

Измерение объемной деформации по методу вытеснения жидкости производится при контрольных испытаниях для определения наличия остаточной деформации в изделии после нагружения пробным давлением, а также при лабораторной оценке деформации сферических сосудов в зависимости от уровня давления. Точность определения деформации зависит от класса используемых мерных стаканов и находится в пределах 2%.

2. Средства испытаний (установки и устройства)

Системы для испытаний на внутреннее давление компонуют из серийных агрегатов, иногда в них включают отдельные оригинальные блоки. В исследовательских лабораториях для испытаний используют хорошо зарекомендовавшие себя установки, которые изготавливают малыми сериями. Некоторые из них описаны ниже.

Системы создания и регулирования давления разрабатывают в зависимости от цели испытаний с учетом рабочей среды. Схемы систем гидро- и пневмоиспытаний, которые можно рассматривать как принципиальные, представлены на рисунках 1 и 2.

Система гидравлического нагружения показана на рисунке 1. Для гидросистем наиболее пригодны многоплунжерные насосы, с помощью которых можно создать давление в 100Мпа, производительностью до 20л/мин. Разделительная камера 5 с эластичной диафрагмой включается в систему при испытаниях с использованием специальной жидкой среды.

Пневмосистема (рисунок 2) работает по принципу многократного сжатия газа и развивает давление до 50Мпа. При разрушении образца магистраль перекрывается отсекателем 6.

В лабораторной практике достаточно широко используют установки ДРОМ и УДР. Принцип действия установок заключается в том, что на образец, защемленный по контуру, действует давление.

Схема установки УДР-1 для испытания выпучиванием сферических сегментов 1 диаметром 180 и 350мм представлена на рисунке 3. Нижняя плита 2 неподвижно закреплена на столе 3 и является ступенчатым цилиндром высокого давления, в котором помещается поршень 4 или большой поршень 5. В верхней плите 6 имеются два отверстия для испытания образцов разных размеров. Запорное поворотное кольцо 7 предназначено для исключения при работе относительных плит 2 и 6. На установке УДР-1 путем замены приспособлений могут быть испытаны эллипсоидные и полуцилиндрические сегменты или цилиндрические обечайки. Испытанию цилиндрических обечаек предшествует формирование законцовок, которое производится непосредственно на установке. Модернизированная установка УДР-10, в которой испытывают листы толщиной до 20мм при диаметре рабочей части 700мм, выполнена по той же схеме. Установки типа УДР можно использовать для испытания сегментов и сосудов в условиях циклического изменения давления, для чего установку доукомплектовывают электрогидравлическим распределителем и устройством управления.

Установка ДРОМ-2, включенная в систему гидрогазового нагружения, позволяет испытывать сегменты при различных запасах упругой энергии, что достигается путем нагружения: гидравлического - жидкостью, пневматического - сжатым азотом, при этом запасы упругой энергии могут варьироваться также за счет изменения объема газа в верхней камере пневмогидроаккумулятора. Установка ДРОМ-2 рассчитана на давление, которое достигается благодаря мультипликатору с пятикратным гидроусилинием. Конструктивно установка ДРОМ-2 аналогична установкам типа УДР.

Ряд оригинальных установок разработан для испытаний образцов, сегментов и модельных емкостей внутренним давлением при низких температурах. В низкотемпературных установках охлаждают либо только образец, либо все нагруживающее устройство вместе с образцом. Каждая из этих схем охлаждения имеет свои преимущества. Так, в случае охлаждения всего устройства с образцом возможны длительные испытания и регулирование температуры образца в процессе испытаний.

Для испытания при низких температурах используют существенно модернизированные установки УДР и ДРОМ, а также установки типа УНС.

Схема установки УДР-3 (рисунок 4) работает по принципу охлаждения образца. Заливкой жидкого азота на поверхность образца 1 достигается заданная температура (-196^оС). Нагружение производиться за счет испарения азота в емкости 2 при нагреве её электроспиралью или при контакте с массивным поршнем 3. В последнем случае скорость истечения азота и, следовательно, скорость нагружения регулируются размером отверстия истечения (сменными вставками), которое вскрывается разрывом мембраны, закрывающей его, по команде от электроцепи. При разрушении образца обратные клапаны 4 предохраняют накопительную емкость 5 от действия возможного взрыва, броневой колпак 6 гасит энергию взрыва и не допускает выброса продукта взрыва.

Установка УДР-12 предназначена для кратковременных и длительных, в том числе циклических, испытаний образцов внутренним давлением при температурах до -60^оС. Установка состоит из холодильной камеры, в которой расположено силовое устройство с гидроприводом, и системы охлаждения. Работа силового устройства, подобно всем установкам типа УДР, обеспечивается гидросистемой. Гидроусилитель делит систему нагружения на две части. Одна часть работает в условиях нормальной температуры, низкого давления и соединяет полость гидроусилителя с электрогидроклапаном, обеспечивающим работу привода в режиме статического и циклического нагружения. Другая часть соединяет полость гидроусилителя с силовым устройством и работает в низкотемпературной камере при высоком давлении (до 70Мпа). Система охлаждения включает гелиевую холодильногазовую машину, холодильную камеру с воздухопроводом и вентилятором. Система подержания заданных температур испытания и режима нагружения автоматизирована.

На установках типа УНС сегменты и сосуды испытывают внутренним давлением при температурах -196^оС и ниже (до -269^оС).

На рисунке 5 представлена схема рабочей камеры установки УНС-10. Образец 1 с вкладышем 2, помещенный в камеру 3, прижимается к коническому колбцу 4. Охлажденный жидким азотом до -196^оС образец нагружают газообразным или жидким азотом, вытесняемым из камеры давления газообразным гелием. В установке УНС-10 предусмотрена регистрация деформации образца тензометрическим устройством 5 в процессе испытания.

Установка УНС-20 состоит из криостата с вакуумируемым и азотными экранами и рабочей камеры, внутри которой монтируют образец с вкладышем. Образец сначала охлаждают жидким азотом, затем до температуры -200^оС жидким гелием и его холодными парами. В полость под образец заливают жидкий гелий, с помощью которого производится нагружение. Установка укомплектована автоматизированной системой измерения деформаций, температур и давлений. Для контроля температур используют миниатюрные полупроводниковые термометры сопротивления. Деформации измеряют упругими скобами с наклеенными на них тензорезисторами.

Существуют методы испытания емкостей внутренним давлением при -253^оС. при гидроиспытаниях емкость с вкладышем помещают в криостат с жидким водородом. Емкость нагружают путем поддавливания жидкого водорода гелием, охлажденным до -253^оС. Установка позволяет нагружать емкость до давления 22Мпа, при котором водород переходит в твердое состояние. При пневмоиспытаниях емкость с вкладышем, заполненным жидким азотом, охлаждают предварительно прокачкой жидкого водорода и нагружают газообразным гелием, охлажденным до -253^оС. Вследствие специфических свойств сред, используемых для создания высокого давления при низких температурах, необходимы специальные меры предосторожности при проведении испытаний, особенно при использовании водорода.

Для осуществления сложных программ статического и циклического нагружения внутренним давлением наиболее пригодны электрогидравличекие установки со следящим управлением. Электрогидравлические установки с электронно-вычислительной системой управления (с применением микро- или мини-ЭВМ) используют при реализации программ, отражающих эксплуатации, в том числе случайные последовательности, а также программ, параметры которых корректируются в процессе испытания.

Схема электрогидравлической установки для испытаний на давление приведена на рисунке 6. Она состоит из маслонасосной станции 1, системы трубопроводов, по которым масло поступает к ЭГР 2 и через фильтр тонкой очистки 3 попадает в испытуемую емкость 4. Испытания управляются по одному из приведенных параметров: внутреннему давлению р, измеряемому датчиком давления 5; деформации в тангенциальном или в продольном направлении измеряемой с помощью тензорезисторов (7 и 8 соответственно); удлинению , измеряемому навесным тензометром 6.