RU2769535C1 - Test setup for dynamic rupture of metal specimens - Google Patents

Test setup for dynamic rupture of metal specimens Download PDF

Info

Publication number
RU2769535C1
RU2769535C1 RU2021117132A RU2021117132A RU2769535C1 RU 2769535 C1 RU2769535 C1 RU 2769535C1 RU 2021117132 A RU2021117132 A RU 2021117132A RU 2021117132 A RU2021117132 A RU 2021117132A RU 2769535 C1 RU2769535 C1 RU 2769535C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
plate
dynamic
bumper
hydraulic jacks
Prior art date
Application number
RU2021117132A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Ильич Абакумов
Сергей Анатольевич Абакумов
Олег Александрович Думкин
Сергей Константинович Груздев
Виктор Васильевич Кокшаров
Игорь Иванович Сафронов
Александр Васильевич Сиренко
Андрей Сергеевич Смирнов
Андрей Борисович Арабей
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Газпром"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Газпром" filed Critical Публичное акционерное общество "Газпром"
Priority to RU2021117132A priority Critical patent/RU2769535C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2769535C1 publication Critical patent/RU2769535C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
    • G01N3/313—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight generated by explosives

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

FIELD: samples testing installations.
SUBSTANCE: invention relates to installations for testing samples of pipe steel for rupture. The installation includes base and accelerating plates, grippers, with which the test sample is rigidly attached to the plates, a device for static loading of the sample, which is used as hydraulic jacks, and a device for dynamic loading of the sample. As a device for dynamic loading of the sample, pneumatic cylinders with pistons are used, the working volumes of which are filled with a combustible gas mixture, a bumper is attached to the accelerating plate with the help of racks, with the possibility of moving the plate and the bumper along these racks, at the ends of which, on the side of the bumper, plastically deformable pipes are installed , in addition, for the rigidity of the connection, a mounting plate for pneumatic cylinders and a mounting plate for hydraulic jacks are included. The installation is placed on rails with the possibility of free axial movement.
EFFECT: expanding the functionality of the testing machine.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к испытательной технике, к установкам для испытания образцов трубной стали на разрыв и может быть использовано для оценки эксплуатационных свойств металла магистральных труб - полнотолщинных образцов металла на динамический разрыв с усилием разрыва до 600 тс (форма образца - прямоугольная с надрезом одного края посередине типа SENT-образец, размер образца: длина 90-150 см, ширина, вдоль которой движется трещина, ≤100 см).The invention relates to testing equipment, to installations for testing samples of pipe steel for rupture and can be used to evaluate the operational properties of the metal of main pipes - full-thick metal samples for dynamic rupture with a rupture force of up to 600 tf (the shape of the sample is rectangular with a notch of one edge in the middle of the type SENT sample, sample size: length 90-150 cm, width along which the crack moves ≤100 cm).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание установки, способной разрушить SENT-образец по всей его ширине со скоростью распространения трещины ≈100-150 м/с при динамическом нагружении.The problem to be solved by the invention is the creation of an installation capable of destroying the SENT sample over its entire width with a crack propagation velocity of ≈100-150 m/s under dynamic loading.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является конструкция машины для динамического растяжения образцов металла на динамический разрыв (F. Rivalin, M. Di Fant, A. Pineau "Dynamic ductile tearing in high streght pipeline steels". International Pipeline Conference - Volume 1, ASME 1996). Машина предназначена для динамического растяжения SENT-образца 43×25 см, при скорости распространения трещины 20-40 м/с и состоит из двух плит, к которым крепится образец.The closest analogue to the claimed invention is the design of a machine for dynamic stretching of metal samples to dynamic rupture (F. Rivalin, M. Di Fant, A. Pineau "Dynamic ductile tearing in high streght pipeline steels". International Pipeline Conference - Volume 1, ASME 1996 ). The machine is designed for dynamic stretching of a 43×25 cm SENT sample at a crack propagation speed of 20-40 m/s and consists of two plates to which the sample is attached.

Совместно с растяжением образца с помощью четырех домкратов, опирающихся на плиты, происходит растяжение специально установленной силовой пружины. В момент страгивания трещины происходит падение нагрузки. Дальнейшее динамическое продвижение трещины в образце обеспечивается усилием при сжатии пружины в результате высвобождения упругой энергии, накопленной на этапе ее растяжения.Together with the stretching of the sample with the help of four jacks resting on the plates, there is a stretching of a specially installed power spring. At the moment of crack starting, the load drops. Further dynamic propagation of the crack in the sample is provided by the force during compression of the spring as a result of the release of the elastic energy accumulated at the stage of its stretching.

В процессе разрыва образца определяют удельную энергию трещинообразования в зависимости от длины трещины и скорости ее распространения. На всем протяжении испытания длину трещины на поверхности образца контролируют высокоскоростной видеокамерой.In the process of sample rupture, the specific energy of crack formation is determined depending on the length of the crack and the rate of its propagation. Throughout the test, the length of the crack on the surface of the sample is controlled by a high-speed video camera.

Недостаток конструкции ближайшего аналога связан с ограничением максимально возможного усилия 400 тс, прикладываемого к образцу, лимитируемого величиной максимального усилия сжатия пружины. Нагрузка, передающаяся на образец, зависит от жесткости пружины и падает по мере раскрытия трещины, что влияет на параметры распространения трещины. Данное устройство имеет ограничение по такой важной характеристике трещиностойкости, какой является скорость распространения трещины, которая не превышает 20-40 м/с (для сравнения скорость распространения трещины в трубе магистрального трубопровода ≈150-200 м/с). Перечисленные факторы приводят к ограничению функциональных возможностей испытательной машины.The disadvantage of the design of the closest analogue is associated with the limitation of the maximum possible force of 400 tf applied to the sample, which is limited by the value of the maximum spring compression force. The load transferred to the sample depends on the spring stiffness and decreases as the crack opens, which affects the crack propagation parameters. This device has a limitation on such an important characteristic of crack resistance, which is the crack propagation velocity, which does not exceed 20-40 m/s (for comparison, the crack propagation velocity in the main pipeline pipe is ≈150-200 m/s). These factors lead to a limitation of the functionality of the testing machine.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей испытательной машины.The technical result of the claimed invention is to expand the functionality of the testing machine.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в конструкции испытательной установки на динамический разрыв образцов металла, включающей опорную и разгонную плиты, захваты, с помощью которых к плитам крепится образец исследования, устройство для статического нагружения образца, в качестве которого используют гидродомкраты, и устройство для динамического нагружения образца, новым является то, что в качестве устройства для динамического нагружения образца используют пневмоцилиндры с поршнями, рабочие объемы которых заполнены горючей газовой смесью, к разгонной плите с помощью направляющих присоединен отбойник, с возможностью перемещение плиты и отбойника вдоль этих направляющих, на концах которых, со стороны отбойника установлены пластически деформируемые трубы, дополнительно для жесткости соединения включена плита крепления пневмоцилиндров и плита крепления гидродомкратов, кроме того, установка размещена на рельсах с возможностью свободного осевого перемещения.The specified technical result is achieved due to the fact that in the design of the test facility for dynamic rupture of metal samples, including the base and accelerating plates, the grippers with which the test sample is attached to the plates, the device for static loading of the sample, which is used as hydraulic jacks, and the device for dynamic loading of the sample, what is new is that as a device for dynamic loading of the sample, pneumatic cylinders with pistons are used, the working volumes of which are filled with a combustible gas mixture, a bumper is attached to the accelerating plate by means of guides, with the possibility of moving the plate and the bumper along these guides, on plastically deformable pipes are installed at the ends of which, from the side of the bumper, a plate for attaching pneumatic cylinders and a plate for attaching hydraulic jacks are additionally included for rigidity of the connection, in addition, the installation is placed on rails with the possibility of free axial movement.

Отличительные признаки обеспечивают достижение максимального давления в каждом нагружателе, равного 200 атм, и суммарного усилия в шести нагружателях 800 тс за 10-15 мс. Для динамического разрыва образца по всей его ширине с помощью шести нагружателей создается нагрузка, действующая на опорную и разгонную плиты. Источником энергии нагружения является энерговыделение при горении газовой смеси, создающее давление в нагружателях. Для разрыва образца в режиме статического нагружения используются шесть гидродомкратов, обеспечивающих суммарное усилие до 1200 тс. При разрыве образца для торможения плиты разгонной используется плита отбойник. В испытательной установке предусматривается выдача информации по изменению во времени усилия разрыва образца, смещения захватов и смещения вершины трещины.Distinctive features ensure the achievement of a maximum pressure in each loader equal to 200 atm, and a total force in six loaders of 800 tf in 10-15 ms. For dynamic rupture of the sample along its entire width, six loaders create a load acting on the base and accelerating plates. The source of loading energy is the energy release during combustion of the gas mixture, which creates pressure in the loaders. To break the sample under static loading, six hydraulic jacks are used, providing a total force of up to 1200 tf. When the sample breaks, a chipper plate is used to brake the accelerating plate. The test setup provides for the output of information on the change in time of the rupture force of the sample, the displacement of the grips and the displacement of the crack tip.

Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения может служить испытательная установка, схематично представленная на фиг. 1, на фиг. 2.An example of a specific implementation of the claimed invention can serve as a test facility, schematically shown in Fig. 1 in FIG. 2.

В испытательной установке образец 1 с помощью шкворней 2 соединен с захватами 3 и 4. Для увеличения прочности в зоне отверстий под шкворни края образца имеют утроенную толщину. Захваты закреплены на плите опорной 5 и плите разгонной 6. Конструктивно плита опорная выполнена в виде двух стальных плит 20, соединенных между собой набором стальных пластин 21. На четырех поверхностях захвата 3 устанавливаются тензодатчики 19 для получения временной зависимости деформации при растяжении захвата, которая пересчетом переводится во временную зависимость усилия растяжения образца.In the test setup, sample 1 is connected with pins 3 and 4 by means of pins 2. To increase the strength in the area of the holes for the pins, the edges of the sample have a triple thickness. The grippers are fixed on the base plate 5 and the booster plate 6. Structurally, the base plate is made in the form of two steel plates 20 interconnected by a set of steel plates 21. Strain gauges 19 are installed on the four surfaces of the grip 3 to obtain the time dependence of the tensile strain of the gripper, which is converted by recalculation into the time dependence of the tensile force of the sample.

Для динамического разрыва образца по всей его ширине с помощью шести нагружателей, выполненных в виде пневмоцилиндров 8 с поршнями 9, создается нагрузка, действующая на плиту опорную 5 и плиту разгонную 6. Для разрыва образца в режиме статического нагружения используются шесть гидродомкратов 10. Для ориентации и фиксации нагружателей и гидродомкратов в конструкции разрывной машины устанавливается плита крепления нагружателей 14 и плита крепления гидродомкратов 15. При разрыве образца для торможения плиты разгонной используется плита отбойник 7. По конструкции она схожа с плитой опорной и отличается только толщиной и массой. Плита опорная и плита отбойник соединены между собой четырьмя направляющими 11. Крепление направляющих обеспечивает свободное перемещение плит вдоль этих направляющих. Для уменьшения амплитуды нагрузки, действующей на направляющие при ударе плиты разгонной об плиту отбойник, на концах направляющих, со стороны плиты отбойник, устанавливаются пластически деформируемые трубы 12. Концы направляющих фиксируются гайками 13 с упорной резьбой. Для того чтобы плита разгонная двигалась только в направлении растяжения образца (в осевом направлении), в плите отбойнике располагаются четыре направляющие шпильки 16, которые проходя сквозь плиту разгонную 6, ограничивают ее боковое смещение.For dynamic rupture of the sample over its entire width with the help of six loaders made in the form of pneumatic cylinders 8 with pistons 9, a load is created that acts on the base plate 5 and the booster plate 6. To break the sample in the static loading mode, six hydraulic jacks 10 are used. For orientation and fixing loaders and hydraulic jacks in the design of the tensile machine, a plate for attaching loaders 14 and a plate for attaching hydraulic jacks 15 are installed. When the sample breaks, a bump plate 7 is used to brake the accelerating plate. It is similar in design to the support plate and differs only in thickness and weight. The base plate and the bumper plate are interconnected by four guides 11. The guides are fastened to ensure free movement of the plates along these guides. To reduce the amplitude of the load acting on the guides when the booster plate hits the bumper plate, plastically deformable pipes 12 are installed at the ends of the guides, from the side of the bumper plate. The ends of the guides are fixed with nuts 13 with a thrust thread. In order for the booster plate to move only in the direction of sample tension (in the axial direction), four guide pins 16 are located in the bumper plate, which, passing through the booster plate 6, limit its lateral displacement.

Свободное (с минимальным трением) осевое перемещение испытательной установки обеспечивается двумя тележками 17 с возможностью двигаться по рельсам 18.Free (with minimal friction) axial movement of the test facility is provided by two carts 17 with the ability to move along rails 18.

Для регистрации изменения расстояния между шкворнями предполагается использование промышленно изготавливаемых датчиков перемещения, а для контроля движения трещины - набор параллельно расположенных проволочек жестко связанных с поверхностью образца в зоне предполагаемой траектории движения трещины. По моменту разрыва проволочки фиксируется время нахождения трещины в координате расположения данной проволочки.To register the change in the distance between the pivots, it is supposed to use industrially manufactured displacement sensors, and to control the movement of a crack, a set of parallel wires rigidly connected to the surface of the sample in the area of the expected crack movement trajectory is supposed to be used. According to the moment of wire rupture, the time spent by the crack in the coordinate of the location of this wire is fixed.

Испытательная установка работает следующим образом.The test setup works as follows.

Перед проведением испытания образец 1 с помощью шкворней 2 крепится к захватам 3 и 4, которые жестко связаны с плитой опорной 5 и плитой разгонной 6. Затем пневмоцилидры 8 заполняются газовой смесью (водород + воздух) заданной концентрации и давления. Начальное давление и концентрация водорода в смеси определяют скорость нарастания нагрузки и максимальное давление продуктов сгорания. Размеры пневмоцилидра 8 (отношение длины к диаметру) выбираются из условия длительности воздействия нагрузки на образец и спада давления за счет остывания газа, а также исключения возможности взрыва и детонации газовой смеси. После зажигания газовой смеси с ростом давления в пневмоцилиндрах 8 создается усилие растяжения образца 1, приводящее к образованию в нем трещины и дальнейшему разделению образца на две части. Плита разгонная 6 вместе с захватом и связанной с ним частью образца приобретает скорость, для гашения которой используется плита отбойник 7. Для торможения плиты отбойника 7 и плиты разгонной 6 в момент их совместного движения через систему четырех направляющих 11 подключается плита опорная 5. С целью уменьшения ударной нагрузки на направляющие 11 (ограничения по амплитуде) в установке используются пластически деформируемые трубы (демпферы) 12.Before testing, sample 1 is attached to grips 3 and 4 with the help of pins 2, which are rigidly connected to the base plate 5 and the accelerating plate 6. Then the pneumatic cylinders 8 are filled with a gas mixture (hydrogen + air) of a given concentration and pressure. The initial pressure and hydrogen concentration in the mixture determine the rate of load increase and the maximum pressure of the combustion products. The dimensions of the pneumatic cylinder 8 (the ratio of length to diameter) are selected from the condition of the duration of the impact of the load on the sample and the pressure drop due to cooling of the gas, as well as to exclude the possibility of an explosion and detonation of the gas mixture. After ignition of the gas mixture, with an increase in pressure in the pneumatic cylinders 8, a tensile force is created in the sample 1, leading to the formation of a crack in it and further separation of the sample into two parts. The accelerating plate 6, together with the gripper and the part of the sample associated with it, acquires a speed, for damping which the bump plate 7 is used. To brake the bump plate 7 and the accelerating plate 6 at the moment of their joint movement, the support plate 5 is connected through the system of four guides 11. In order to reduce impact load on the guides 11 (amplitude limitations) in the installation, plastically deformable pipes (dampers) 12 are used.

При работе испытательной установки с помощью тензодатчиков, датчиков давления и датчиков перемещений определяются силовые характеристики образца - зависимости прикладываемого усилия от перемещения захватов, а также определяется скорость трещины (с помощью разрывных проволочек). По измеряемым параметрам определяются характеристики разрушения трубной стали для оценки ее трещиностойкости.During the operation of the test facility, with the help of strain gauges, pressure sensors and displacement sensors, the force characteristics of the sample are determined - the dependence of the applied force on the movement of the grippers, and the crack speed is also determined (using tensile wires). According to the measured parameters, the fracture characteristics of pipe steel are determined to assess its crack resistance.

Разработка конструктивной схемы испытательной установки была проведена с помощью компьютерного моделирования, которое показало возможность реализации используемых технических решений.The development of the design scheme of the test facility was carried out using computer simulation, which showed the possibility of implementing the technical solutions used.

Claims (1)

Испытательная установка на динамический разрыв образцов металла, включающая опорную и разгонную плиты, захваты, с помощью которых к плитам жестко крепится образец исследования, устройство для статического нагружения образца, в качестве которого используют гидродомкраты, и устройство для динамического нагружения образца, отличающаяся тем, что в качестве устройства для динамического нагружения образца используют пневмоцилиндры с поршнями, рабочие объемы которых заполнены горючей газовой смесью, к разгонной плите с помощью направляющих присоединен отбойник, с возможностью перемещения разгонной плиты и отбойника вдоль этих направляющих при разрыве образца, на концах которых, со стороны отбойника, установлены пластически деформируемые трубы, дополнительно для увеличения жесткости соединения включена плита крепления пневмоцилиндров и плита крепления гидродомкратов, кроме того, установка размещена на тележке с возможностью свободного осевого перемещения по рельсам.A dynamic rupture test facility for metal samples, including a base and an accelerating plate, grippers with which the test sample is rigidly attached to the plates, a device for static loading of the sample, which is used as hydraulic jacks, and a device for dynamic loading of the sample, characterized in that in as a device for dynamic loading of the sample, pneumatic cylinders with pistons are used, the working volumes of which are filled with a combustible gas mixture; plastically deformable pipes are installed, in addition, to increase the rigidity of the connection, a mounting plate for pneumatic cylinders and a mounting plate for hydraulic jacks are included, in addition, the installation is placed on a trolley with the possibility of free axial movement along the rails.
RU2021117132A 2021-06-10 2021-06-10 Test setup for dynamic rupture of metal specimens RU2769535C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021117132A RU2769535C1 (en) 2021-06-10 2021-06-10 Test setup for dynamic rupture of metal specimens

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021117132A RU2769535C1 (en) 2021-06-10 2021-06-10 Test setup for dynamic rupture of metal specimens

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769535C1 true RU2769535C1 (en) 2022-04-01

Family

ID=81076194

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021117132A RU2769535C1 (en) 2021-06-10 2021-06-10 Test setup for dynamic rupture of metal specimens

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2769535C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU131128A1 (en) * 1959-11-30 1960-11-30 В.И. Беляев Installation for dynamic stretching of metals
SU838520A1 (en) * 1979-10-04 1981-06-15 Московский Ордена Трудового Красногознамени Инженерно-Физический Институт Unit for high-speed material testing for rupture
SU957053A1 (en) * 1981-01-05 1982-09-07 Научно-Исследовательский Институт Механики При Горьковском Ордена Трудового Красного Знамени Государственном Университете Им.Н.И.Лобачевского Pneumodynamic machine for rapid testing of materials
CN103353425B (en) * 2013-06-17 2015-06-17 宁波大学 Observation and test apparatus for cavity evolution in test pieces under tensile impact and test method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU131128A1 (en) * 1959-11-30 1960-11-30 В.И. Беляев Installation for dynamic stretching of metals
SU838520A1 (en) * 1979-10-04 1981-06-15 Московский Ордена Трудового Красногознамени Инженерно-Физический Институт Unit for high-speed material testing for rupture
SU957053A1 (en) * 1981-01-05 1982-09-07 Научно-Исследовательский Институт Механики При Горьковском Ордена Трудового Красного Знамени Государственном Университете Им.Н.И.Лобачевского Pneumodynamic machine for rapid testing of materials
CN103353425B (en) * 2013-06-17 2015-06-17 宁波大学 Observation and test apparatus for cavity evolution in test pieces under tensile impact and test method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106769546B (en) A kind of test device and test method for simulating pipe explosion fracture apperance
Zhang et al. Plastic behavior of circular steel tubes subjected to low-velocity transverse impact
Grimsmo et al. An experimental study of static and dynamic behaviour of bolted end-plate joints of steel
US7320242B2 (en) Tensile impact apparatus
Corran et al. Impact loading of plates—an experimental investigation
Ansell Laboratory testing of a new type of energy absorbing rock bolt
CN108827582B (en) High-magnitude collision impact test stand
Wen et al. Low-velocity perforation of punch-impact-loaded metal plates
Li et al. Behaviour of ultra-high strength steel hollow tubes subjected to low velocity lateral impact: experiment and finite element analysis
Shirai et al. Experiment and numerical simulation of double-layered RC plates under impact loadings
CN103076223A (en) Launcher based on Hopkinson pull rod test equipment
Jones et al. Influence of internal pressure on the impact behavior of steel pipelines
Mindess et al. Perforation of plain and fibre reinforced concretes subjected to low-velocity impact loading
You et al. Review of experimental techniques for impact property of adhesive bonds
RU2769535C1 (en) Test setup for dynamic rupture of metal specimens
Jiang et al. Experimental investigation into scaling laws for conical shells struck by projectiles
Langseth et al. Dropped objects' plugging capacity of aluminium alloy plates
CN106813983B (en) A kind of ultrahigh speed cupping machine of rocket engine driving
CN110686987B (en) Dynamic load shearing test device and method for emergency disconnection self-sealing structure
JP2006194595A (en) Tensile test method and device
CN111044373B (en) Dynamic mechanical test system
Warren et al. Characterization of A325 structural bolts subjected to impulsive loads
He et al. Experimental investigation of the repeated impact behaviour of rectangular plates
He et al. The dynamic repeated impact response of rectangular plates under rounded and blunt impactors
CN117110034A (en) Test device and test method for constant-speed-rate dynamic compression test of sample