RU2174225C2

RU2174225C2 - Pipe strength-test specimen

Info

Publication number: RU2174225C2
Application number: RU99112413A
Authority: RU
Inventors: К.Д. Басиев; О.И. Стеклов; В.И. Тибилов; А.А. Бигулаев
Original assignee: Северо-Кавказский государственный технологический университет
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2001-09-27

Abstract

FIELD: equipment for testing materials for strength. SUBSTANCE: specimen is made in the form of half-ring whose inner part is provided with insert of varying height. Height of said insert decreases from top to ends to which forces simulating for tensile stresses over entire thickness of pipe metal are applied. Ratio of pipe thickness (H_pipe) of specimen to height of insert (H_ins) is found from relationship:

Description

Изобретение относится к области испытания материалов на прочность, а в частности к образцам для испытания труб на длительную прочность. The invention relates to the field of testing materials for strength, and in particular to samples for testing pipes for long-term strength.

Известен трубчатый образец для оценки прочности труб, представляющий собой разрезное кольцо, вырезанное непосредственно из трубы, с выемкой, расположенной на внешней поверхности образца параллельно образующей трубы (см. МОНОШКОВ А. Н. , СВЕТЛАНОВ В.А., ЗЕМСКАЯ Л.В. "Лабораторный метод испытания металла и сварных соединений труб при двухосном растяжении. Производство труб с покрытиями, отделка и контроль качества труб". Металлургия, 1974 г., с. 97-103). Known tubular sample for assessing the strength of pipes, which is a split ring cut directly from the pipe, with a recess located on the outer surface of the sample parallel to the generatrix of the pipe (see MONOSHKOV A.N., SVETLANOV V.A., ZEMSKAYA L.V. " A laboratory method for testing metal and welded pipe joints under biaxial tension. Production of coated pipes, finishing and pipe quality control. Metallurgy, 1974, pp. 97-103).

Недостатком данного образца является то, что напряжения по толщине образца знакопеременные, т.е. по наружной поверхности образца действуют растягивающие напряжения, а по внутренней - сжимающие. Таким образом, данный образец при нагружении двумя радиальными силами, действующими по одной оси, работает по изгибной схеме, что в корне отличается от работы реальной трубы. The disadvantage of this sample is that the stresses along the thickness of the sample are alternating, i.e. tensile stresses act on the outer surface of the sample, and compressive stresses on the inner surface. Thus, this sample, when loaded with two radial forces acting on the same axis, works according to a bending scheme, which is fundamentally different from the work of a real pipe.

Помимо указанного недостатка, также следует отметить тот факт, что при данной схеме нагружения (двумя радиальными силами, действующими по одной оси и приложенными к торцам полукольца) максимальные растягивающие напряжения на поверхности образца, как показывают экспериментальные исследования (данные тензометрических измерений), возникают не в рабочей зоне образца, где создается двухосное напряженное состояние (зона выемки на внешней поверхности образца), а между рабочей зоной и осью приложения внешней нагрузки в пределах углов от 35^o до 45^o, что является следствием того, что в данной зоне происходит не чистый изгиб, а изгиб с растяжением.In addition to this drawback, it should also be noted that with this loading scheme (two radial forces acting on the same axis and applied to the ends of the half ring), the maximum tensile stresses on the surface of the sample, as shown by experimental studies (tensometric measurements), the working area of the sample, where a biaxial stress state is created (the notch zone on the outer surface of the sample), and between the working area and the axis of application of the external load, within the range of angles from 35 ^o to 4 5 ^o , which is a consequence of the fact that in this zone there is not a pure bend, but a bend with tension.

Существенным недостатком данного образца также является то, что создаваемые в рабочей зоне образца напряжения находятся в пределах пластических реформаций (условия обеспечения двухосности). В то время как большинство эксплуатационных разрушений труб наблюдается при работе металла этих конструкций в области упругих деформаций, то для достоверной оценки длительной прочности необходимы данные о поведении металла именно в упругой области работы. A significant drawback of this sample is also that the stresses generated in the working zone of the sample are within the plastic reformation (conditions for ensuring biaxiality). While the majority of operational failure of pipes is observed during the work of the metal of these structures in the field of elastic deformations, to reliably evaluate the long-term strength, data are needed on the behavior of the metal in the elastic region of work.

Таким образом, известный образец не обеспечивает достаточной точности оценки длительной прочности металла труб из-за несоответствия реальной работы трубы, а также из-за невозможности проведения испытаний в области упругих деформаций. Thus, the known sample does not provide sufficient accuracy for assessing the long-term strength of the pipe metal due to the mismatch of the actual operation of the pipe, and also because of the impossibility of testing in the field of elastic deformations.

Наиболее близким к заявляемому образцу является образец для испытания металла труб при двухосном напряженном состоянии, представляющий собой разрезное кольцо с выемкой, расположенной на внешней поверхности образца, выемка выполнена в виде кольцевой проточки симметрично относительно ширины образца, глубина и ширина которой выбирается из условия обеспечения соотношения напряжений в центральной части образца, соответствующего напряженному состоянию трубы (см. патент РФ N 2073842, МПК⁶ G 01 N 3/08, опубл. БИ N 5, 1997 г.).Closest to the claimed sample is a sample for testing pipe metal in a biaxial stress state, which is a split ring with a recess located on the outer surface of the sample, the recess is made in the form of an annular groove symmetrically with respect to the width of the sample, the depth and width of which is selected from the condition for ensuring the stress ratio in the central part of the sample corresponding to the stress state of the pipe (see RF patent N 2073842, IPC ⁶ G 01 N 3/08, publ. BI N 5, 1997).

Недостаток известного образца заключается в невозможности создания в рабочей зоне по всей толщине образца растягивающих напряжений, что снижает точность оценки длительной прочности металла трубы, так как в реальных условиях изгибная схема напряжения не соответствует работе труб нефтегазопроводов. A disadvantage of the known sample lies in the impossibility of creating tensile stresses throughout the entire thickness of the sample in the working zone, which reduces the accuracy of estimating the long-term strength of the pipe metal, since in real conditions the bending stress circuit does not correspond to the operation of oil and gas pipelines.

Существенным недостатком известного образца является также то, что для создания двухосности в центральной части образца выполнена проточка, величина которой выбирается в зависимости от требуемого состояния главных напряжений, что приводит к нарушению или изменению состояния поверхностных слоев трубы и как следствие снижается точность испытаний при определении прочности металла трубы. A significant disadvantage of the known sample is that to create biaxiality in the central part of the sample, a groove is made, the value of which is selected depending on the required state of the main stresses, which leads to a violation or change in the state of the surface layers of the pipe and, as a result, the accuracy of the tests when determining the strength of the metal decreases pipes.

Задачей данного технического решения является максимальное приближение условий испытания к эксплуатационным и повышение точности испытаний металла труб. The objective of this technical solution is to maximize the approximation of test conditions to operational and increase the accuracy of testing metal pipes.

Технический результат заключается в создании растягивающих напряжений по всей толщине металла трубы, а также регулирования и создания максимальных окружных напряжений в рабочей зоне образца (центральная часть) при одноосном нагружении образца. The technical result consists in creating tensile stresses over the entire thickness of the pipe metal, as well as regulating and creating maximum circumferential stresses in the working area of the sample (central part) under uniaxial loading of the sample.

Этот технический результат достигается тем, что в известном образце, состоящем из отрезка трубы в виде полукольца, концы которой предназначены для нагружения усилиями, направленными по одной оси, внутренняя часть полукольца снабжена вставкой с переменной высотой, уменьшающейся от вершины к ее концам, причем отношение толщины трубы (H_тр) образца к высоте вставки (H_вст) составляет от 0,2 до 2,0.This technical result is achieved by the fact that in the known sample, consisting of a pipe segment in the form of a half-ring, the ends of which are designed for loading by forces directed along one axis, the inner part of the half-ring is equipped with an insert with a variable height, decreasing from the top to its ends, and the ratio of thickness pipe (H _Tr ) of the sample to the insertion height (H _stand ) is from 0.2 to 2.0.

При соотношении

резко усиливается прикладываемое усилие, что экономически не выгодно.With the ratio

sharply amplifies the applied effort, which is not economically viable.

А при

стенка трубы работает на изгиб, а не на растяжение.And when

the pipe wall works in bending rather than in tension.

Проверка на прочность металла труб данного образца позволила приблизить условия испытаний к реальным и повысить точность результатов прогностных характеристик. Testing the strength of the metal pipes of this sample made it possible to bring the test conditions closer to real and increase the accuracy of the results of the prognostic characteristics.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. The essence of the invention is as follows.

При нагружении образца двумя радиальными силами в центральной его части рабочей зоны будут возникать максимальные изгибающий момент и предельная сила, вследствие чего образец упруго деформируется. Деформации, радиальные напряжения и напряжения по толщине образца определяются по известным формулам курса "сопротивления материалов", как для балок с радиусом кривизны. В результате того что вставка образца выполнена серповидной, очертание внутренней грани которой соответствует эпюре изгибающих моментов и обладает переменной жесткостью, достигается эффект получения однородных растягивающих напряжений по поверхности трубы в радиальном направлении. Переменная жесткость вставки дает также возможность значительно уменьшить величину радиальных усилий, приложенных к торцам образца, необходимых для создания требуемых напряжений по сравнению со вставкой, обладающей постоянной жесткостью. В целях исключения взаимного смещения проскальзывания вставки и трубы в торцах образца соединение между ними выполняется с помощью электросварки с учетом того, чтобы исключить возможность влияния остаточных сварочных напряжений в рабочей зоне. Использование вставки дает также возможность создания растягивающих напряжений по всей толщине трубы. При обеспечении совместной работы вставки и трубы вся модель работает по изгибной схеме, но так как центр тяжести и нейтральная ось сечения проходят по вставке, то в самой трубе по толщине возникают растягивающие напряжения

соответственно по наружной и внутренней поверхности трубы. Отношение

зависит от геометрических размеров сечения вставки, а именно от высоты вставки.When the sample is loaded with two radial forces in its central part of the working zone, maximum bending moment and ultimate force will arise, as a result of which the sample is elastically deformed. Deformations, radial stresses and stresses along the thickness of the sample are determined by the known formulas of the course "resistance of materials", as for beams with a radius of curvature. As a result of the fact that the sample insert is sickle-shaped, the outline of the inner face of which corresponds to the diagram of bending moments and has variable stiffness, the effect of obtaining uniform tensile stresses along the pipe surface in the radial direction is achieved. The variable stiffness of the insert also makes it possible to significantly reduce the magnitude of the radial forces applied to the ends of the sample necessary to create the required stresses compared to an insert with constant stiffness. In order to eliminate the mutual slip slippage of the insert and the pipe at the ends of the sample, the connection between them is performed using electric welding, taking into account the possibility of the influence of residual welding stresses in the working area. Using the insert also makes it possible to create tensile stresses over the entire thickness of the pipe. When the insert and pipe work together, the entire model works according to a bending scheme, but since the center of gravity and the neutral axis of the section pass through the insert, tensile stresses arise in the pipe itself along the thickness

respectively, on the outer and inner surfaces of the pipe. Attitude

depends on the geometric dimensions of the cross section of the insert, namely on the height of the insert.

Таким образом, при нагружении образца в виде разрезного кольца со вставкой переменного сечения с внутренней поверхности образца, расположенной симметрично относительно его ширины двумя радиальными силами в его центральной части возникают растягивающие напряжения по высоте вставки, а в окружном направлении, за счет изменения высоты вставки, достигается возможность получения одинаковых растягивающих напряжений по всей наружной поверхности образца. Thus, when a specimen is loaded in the form of a split ring with an insert of variable cross section, from the inner surface of the specimen located symmetrically with respect to its width by two radial forces, tensile stresses arise in the central part along the height of the insert, and in the circumferential direction, by changing the height of the insert, the possibility of obtaining the same tensile stresses along the entire outer surface of the sample.

Экспериментально установлено, что одинаковые напряжения по наружной поверхности образца, высеченного из конкретной трубы, зависят от ширины и высоты вставки в окружном направлении. Объясняется это тем, что изгибающий момент и предельная сила меняются от 0, в месте приложения радиальной силы, до максимального значения в центральной части образца (рабочей зоне). Высота вставки дает возможность получить растягивающие напряжения по всей толщине образца за счет смещения нейтральной оси сечения. Отношение растягивающих напряжений по наружной σ₁ и внутренней

поверхности образца зависит от высоты вставки. Данная зависимость получена на основе экспериментальных данных.It was experimentally established that the same stresses on the outer surface of a specimen carved from a particular pipe depend on the width and height of the insert in the circumferential direction. This is explained by the fact that the bending moment and ultimate force vary from 0, at the place of application of the radial force, to the maximum value in the central part of the sample (working area). The height of the insert makes it possible to obtain tensile stresses over the entire thickness of the sample due to the displacement of the neutral axis of the section. The ratio of tensile stresses on the external σ ₁ and internal

The surface of the sample depends on the height of the insert. This dependence is obtained on the basis of experimental data.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен заявляемый образец; на фиг. 2 - график зависимости соотношений напряжений на наружной и внутренней поверхности образца от высоты сечения вставки. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 presents the inventive sample; in FIG. 2 is a graph of the relationship between the stress ratios on the outer and inner surfaces of the sample on the height of the insert cross section.

Образец представляет собой разрезное кольцо 1, вырезанное из реальной трубы с серповидной вставкой 2, расположенной с внутренней стороны. Высоту серповидной вставки выбирают в зависимости от соотношения

.The sample is a split ring 1 cut from a real pipe with a sickle insert 2 located on the inside. The height of the crescent insert is selected depending on the ratio

.

Испытания металла труб на предлагаемом образце осуществляли следующим образом. Tests of metal pipes on the proposed sample was carried out as follows.

Испытанию подвергали стальную трубу радиусом R = 100 мм и толщиной стенки H= 10 мм на установленную прочность. Ширину образца выбирали из технологических соображений, т.е. присоединение в рабочей зоне проводов измерительных приборов, в этом случае ширина вставки меньше и зависит от величины прикладываемых к торцам образца радиальных усилий, создаваемых нагружаемым устройством. Высота вставки выбирается из графика 2 в зависимости от соотношения

. Затем вставку с выбранными размерами жестко соединяли с исследуемым образом с помощью электросварки в торцах.The test was subjected to a steel pipe with a radius of R = 100 mm and a wall thickness of H = 10 mm for the installed strength. The width of the sample was chosen from technological considerations, i.e. the connection in the working area of the wires of the measuring devices, in this case, the insert width is smaller and depends on the magnitude of the radial forces applied to the ends of the sample created by the loaded device. Insertion height is selected from graph 2 depending on the ratio

. Then the insert with the selected dimensions was rigidly connected to the investigated image by means of electric welding at the ends.

В процессе испытания к образцу прикладывали усилие P, равное 8700 (см. фиг. 1), в результате чего образец упруго деформировался и в его центральной части возникали растягивающие напряжения как по поверхности, так и по толщине. В процессе испытания осуществляли наблюдение за ростом и развитием трещины. При достижении трещиной критических размеров, определяемых требованиями линейной механики разрушения, испытание прекращали. Образец доламывали и по кинетике роста трещины судили об усталостной прочности металла трубы. During the test, a force P equal to 8700 was applied to the specimen (see Fig. 1), as a result of which the specimen was elastically deformed and tensile stresses both in the central part and in the thickness appeared in its central part. During the test, the growth and development of the crack were monitored. When the crack reached critical dimensions determined by the requirements of linear fracture mechanics, the test was terminated. The sample was broken and the crack growth kinetics was used to judge the fatigue strength of the pipe metal.

Нагружение образца можно осуществлять на любой стандартной установке, нагружающее усилие определяют по тарировочному графику для каждого конкретного образца в виде зависимости между напряжениями и нагружающим усилием. The loading of the sample can be carried out on any standard installation, the loading force is determined according to the calibration schedule for each specific sample in the form of a relationship between the stresses and the loading force.

Использование данного способа позволит по сравнению с прототипом обеспечить высокую точность и достоверность оценки усталостной прочности металла трубы. Using this method will allow, in comparison with the prototype, to provide high accuracy and reliability of the assessment of the fatigue strength of the pipe metal.

Claims

A sample for testing pipes for strength, consisting of a pipe segment in the form of a half-ring, the ends of which are intended for loading by forces directed along one axis, characterized in that an insert with a variable height is made on the inside of the half-ring, decreasing from the top to its ends, the ratio the thickness of the pipe (N _Tr ) of the sample to the height of the insert (N _stand ) is determined from the ratio
N _Tr / N _stand = 0.2-2.