Способ коррозионных испытаний материалов в потоке жидкой среды

 

Использование: для испытаний материалов на коррозию под напряжением. Образец испытуемого материала помещают в камере в потоке среды, созданном вращением камеры. По крайней мере одна из стенок камеры выполнена из испытуемого материала, и к ней дополнительно при вращении камеры прилагают силовые нагрузки, изменяющиеся во времени с учетом протекания в образце процессов ползучести и релаксации напряжений. Нагрузки прилагают посредством инерционных масс. Уровень воздействия коррозионной и силовой нагрузок на образец регулируют путем изменения скорости вращения установки. Поток жидкой среды может быть как одно, так и многофазным. В качестве камеры используют многоступенчатую цилиндрическую оболочку. 2 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к испытаниям материалов, в частности к испытаниям на коррозию под напряжением, и может быть использовано при определении свойств металлов и несущей способности узлов листовых конструкций в потоке жидкой среды.

Известна установка для коррозионных испытаний [1], которая содержит камеру, установленную с возможностью вращения вокруг оси, выполненной в виде трубы с перфорированными стенками для сообщения с источником атмосфер.

В камере размещены держатели образцов, средства подвода и отвода среды, а также вентилятор и регулирующий шибер, установленные в полости оси трубы. Недостатком данной установки является невозможность испытания материала при одновременном загружении как коррозионной, так и силовой нагрузками, что соответствует реальным условиям эксплуатации многих конструкций.

Известен способ испытания материалов на коррозию в потоке жидкой среды [2] . Образец испытуемого материала устанавливают в трубопроводе в виде полого тора в потоке многофазной среды, создаваемом вращением вертикально установленного тока вокруг горизонтальной оси, выдерживают и по изменению веса образца судят о коррозии материала. Недостаток способа - испытание образца материала на коррозию только в потоке жидкой среды, что не отражает поведения испытываемого материала в реальных условиях эксплуатации, т.е. в узлах конструкций, находящихся под нагрузкой.

Цель изобретения - приближение условий испытаний к реальным за счет одновременного воздействия на испытуемый образец регулируемых по величине силовой и коррозионной нагрузок. Способ позволяет производить испытания образца в потоке жидкой однофазной или многофазной коррозионных сред одновременно с испытанием образца изменяющимися во времени силовыми нагрузками. Силовые и коррозионные нагрузки регулируются по величине за счет изменения скорости вращения, количества и схемы размещения инерционных масс, объема и концентрации коррозионной среды.

На фиг.1 изображена установка, план; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3-9 - три вида вращающихся цилиндрических резервуаров и схемы испытания соответствующих им образцов; на фиг.10-14 - два вида вращающихся цилиндрических резервуаров с вварным патрубком и схемы испытания соответствующих им образцов; на фиг.15-16 - вращающийся цилиндрический резервуар с наваренным снаружи листовым кольцом и соответствующая схема испытания его образца; на фиг. 17-19 - вращающийся трехступенчатый цилиндрический резервуар, не полностью заполненный жидкой трехфазной средой, и соответствующие ему схемы испытаний.

Установка для коррозионных испытаний материалов в потоке жидкой среды содержит опорную кольцевую раму платформу 1 с приводом вращения 2, инерционные массы в виде упругих колец 3. Через упругие кольца 3 и опорную раму 1 проходят радиальные тяги 4, которые одним концом крепятся натяжными гайками 5 к наиболее удаленному от центра установки кольцу 3, а другим концом - к испытуемому образцу - днищу 6 через захваты 7. К образцу 6 крепятся цилиндрические кольцо 8 и крышка 9 с помощью шпилек 10 и герметизирующих прокладок, которые вместе образуют камеру (фиг.1 и 2). Одновременно упругие кольца 3 расположены на радиальных направляющих 11, вдоль которых за счет шлицевого соединения упругих колец 3 и опорных элементов 12 с радиальными тягами 4 они либо свободно перемещаются по всей длине направляющих 4, либо каждое из колец 3 фиксируется опорным элементом 12, закрепленным к тяге 4. Платформа 1 установлена на основании 13. В коррозионной камере установлены трубки для подвода 14 и отвода 15 среды из нее. До начала вращения установки возможно нагружение образца с помощью натяжных гаек 5.

Способ реализуется следующим образом.

Образец нагружают заданными по величине внешними силами раздельно по каждой оси, т. е. в образце создается предварительное напряжение. Силовое воздействие на образец осуществляется за счет растяжения элемента 6 образца создаваемого с помощью натяжных гаек 5. Контроль текущего усилия по каждой из осей при статическом положении установки осуществляют с помощью тензодатчиков, наклеенных на упругие кольца - инерционные массы 3, которые предварительно протарированы, т.е. они одновременно выполняют и роль динамометров. В случае необходимости уровень предварительной нагрузки можно изменять с помощью натяжных гаек 5.

В частном случае усилия предварительного напряжения в образце могут отсутствовать, т. е. при статическом положении установки силовая нагрузка на образец будет равна нулю. При вращении установки, содержащей основание 13, установленную на нем платформу 1 с приводом вращения 2, закрепленные на платформе направляющие 11 с расположенными на них инерционными массами 3, образца с коррозионной камерой. На образец 6 через тяги 4 начинает действовать силовая нагрузка вследствие возникновения инерционных сил, создаваемых массами 3. Коррозионная камера заполняется с помощью трубки 14 одно- или многофазной средой и по электроду рН-метра контролируется заданный уровень концентрации электролита. По трубке 15 из камеры удаляют излишки газа. С возрастанием скорости вращения установки, величины массы и расстояния от центра вращения до центра массы, увеличивается инерционное силовое воздействие на элемент 6 образца. При вращении установки вследствие инерции в коррозионной камере относительно образца создается поток жидкой среды. Скорость этого потока будет зависеть от изменения скорости вращения установки, а также физических параметров жидкой среды: плотности и вязкости. Одновременно жидкая среда вследствие развития в ней центробежных сил начинает также оказывать и силовое воздействие.

При определенном времени выдержки постоянной скорости вращения установки, скорость вращения жидкой среды с определенными физическими параметрами стабилизируется и совпадает со скоростью вращения образца. При этом будет исключено движение жидкой среды относительно образца, т.е. поток жидкой среды будет отсутствовать. Варьируя уровень жидкой среды при заполнении коррозионной камеры, можно обеспечить при вращении установки варьирование потоков, образуемых жидкой средой, т.е. можно создавать потоки с различными скоростными и силовыми параметрами, а следовательно и с различной степенью их воздействия на образец.

Таким образом, в предлагаемом способе испытание образца возможно осуществлять при одновременном воздействии на него как потока жидкой среды, создающей коррозионное и силовое нагружение, так и силовое нагружение инерционными массами. Вариантность условий испытаний достигается за счет: изменения объема жидкой среды в коррозионной камере; различия физических параметров жидкой среды, т. е. ее плотности и вязкости; варьирования веса и схемы размещения инерционных масс; изменения скорости вращения установки.

Испытание образцов в виде листов с вварными патрубками позволяет, помимо указанных факторов, одновременно учитывать также концентрацию напряжений, геометрический фактор, наличие остаточных сварочных напряжений, а при необходимости и температуру, что соответствует реальным условиям работы материала в конструкциях.

П р и м е р 1. При вращении горизонтального цилиндрического резервуара, заполненного жидким продуктом относительно горизонтальной оси (фиг.3) его корпус будет подвержен как коррозионному износу, так и растяжению за счет действия инерционных сил. При изменении скорости вращения резервуара жидкая среда будет создавать поток относительно корпуса.

Испытания фрагмента корпуса резервуара, находящегося в соответствующих реальных условиях, производится по схеме на фиг.4, где образец 6 является днищем коррозионной камеры. При этом на него действует поток жидкой коррозионной среды при изменении скорости вращения установки, а также растягивающие силы от инерционных масс.

Для вращающегося вертикального цилиндрического резервуара с плоским днищем или листовой диафрагмой испытания производятся при полном его заполнении жидким продуктом (фиг.4) или при неполном заполнении (фиг.7). Схема на фиг. 6 показывает статическое положение резервуара, т.е. исходное положение, соответствующее схеме на фиг.7. Образец является кольцом 8 и днищем 6 коррозионной камеры. На днище будут действовать те же усилия, что и в предыдущем случае, а также усилия краевого эффекта в узле сопряжения днища с кольцом. На кольцо будет действовать поток жидкой коррозионной среды, а также усилия растяжения от инерционных сил, развиваемых жидкой средой.

При вращении горизонтального цилиндрического резервуара, заполненного жидким продуктом и помещенного в резервуар большего диаметра, также заполненного жидкой средой (труба в трубе, фиг.9), соответствующая схеме испытания корпуса внутреннего резервуара дается на фиг.8. На корпус внутреннего резервуара будет действовать два потока жидких сред: с наружной и внутренней ее сторон. В этом случае образцом также является днище 6 коррозионной камеры. На него действуют одновременно два (верхний и нижний) потоки жидкой коррозионной среды, а также усилия растяжения от инерционных масс.

П р и м е р 2. Вращающемуся горизонтальному цилиндрическому резервуару с вварным патрубком (фиг. 10) соответствует испытание фрагмента корпуса резервуара, включающего патрубок (фиг.11). Испытуемый образец в коррозионной камере есть горизонтальный лист с вварным в него патрубком. На элементы образца действуют следующие нагрузки: на лист - поток жидкой коррозионной среды и усилия растяжения от инерционных масс, а на патрубок - поток жидкой коррозионной среды и усилия краевого эффекта в узле его сопряжения с листом.

При вращении вертикального цилиндрического резервуара, расположенного в подобном резервуаре большего диаметра и имеющего листовую диафрагму с заполнением жидкой средой объема между корпусами резервуаров, испытания узла сопряжения всех указанных элементов производится при одностороннем относительно листа заполнении жидким продуктом (фиг.13) или при двухстороннем заполнении (фиг.14). В этом случае образец представляет из себя горизонтальный лист с вварным патрубком, и две цилиндрические оболочки, диаметром, подобным диаметру наружного резервуара, расположенными концентрически относительно патрубка и приваренными к листу с двух сторон. На элементы образца действуют следующие нагрузки: на лист - поток жидкой среды и усилия растяжения от инерционных масс; на патрубок - поток жидкой среды и усилия краевого эффекта в узле его сопряжения с листом; на цилиндрические оболочки - поток жидкой среды и инерционные силы, развиваемые самой жидкой средой. При неполном заполнении жидкой средой при вращении резервуара (установки), очевидно, жидкая среда будет воздействовать только на корпус резервуара большего диаметра.

П р и м е р 3. Рассматривается (фиг.15) вращающийся вертикальный цилиндрический резервуар с наваренным на него снаружи листовым кольцом и заполненный жидкой средой. Соответствующая схема испытаний дана на фиг.16. В качестве образца в камере выступают патрубок и листовое кольцо камеры. Элементы образца воспринимают следующие усилия: листовое кольцо - только растягивающие силы, создаваемые инерционными массами, патрубок - поток жидкой среды, инерционные растягивающие усилия вследствие равномерно распределенного по всей площади корпуса давления создаваемого самой жидкой средой и усилия краевого эффекта в узле сопряжения патрубка с листовым кольцом.

П р и м е р 4. На фиг.17-19 дан пример трехступенчатой цилиндрической оболочки, не полностью заполненной жидкой трехфазной средой. Камера представляет собой образец, полностью подобный исследуемой конструкции. В этой камере все элементы будут являться испытуемыми. На элементы образца будут действовать следующие нагрузки: на все стенки цилиндрической оболочки - поток жидкой среды и инерционные растягивающие усилия, создаваемые жидкой средой; на верхний горизонтальный лист - растягивающие силы, создаваемые инерционными силами и усилия краевого эффекта в узлах сопряжения верхней ступени оболочки с листом. В частном случае при задании соответствующей скорости вращения установки возможно разделение потоков жидкой среды по отдельным ступеням патрубка в зависимости от плотности трех жидких сред.

При изменении скорости вращения установки образец будет испытываться на одновременное воздействие потока коррозионной жидкой среды и силовой нагрузки, то соответствует реальным условиям работы многих видов листовых конструкций, например вращающихся: химических реакторов, оболочек ракет с жидким заполнением, оболочных конструкций, эксплуатируемых в космосе и др. Изменение скорости вращения установки будет изменять все параметры: скорость потока жидкой среды, площадь коррозионного воздействия при неполном заполнении, инерционное давление коррозионной среды на соответствующие участки образца, силовое воздействие.

Формула изобретения

1. СПОСОБ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ В ПОТОКЕ ЖИДКОЙ СРЕДЫ, по которому образец испытуемого материала помещают в камеру в потоке среды, создаваемом вращением камеры, отличающийся тем, что используют камеру, по крайней мере одна из стенок которой выполнена из испытуемого материала, а при вращении камеры к образцу дополнительно прилагают силовые нагрузки посредством инерционных масс.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину коррозионной и силовой нагрузок на образец регулируют путем изменения скорости вращения образца с камерой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве камеры используют многоступенчатую цилиндрическую оболочку, а в качестве коррозионной среды - многофазную среду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19