В современных условиях все более актуальным становится предотвращение техногенных аварий и катастроф при эксплуатации нефтяных и газовых трубопроводов, нефтегазового оборудования. Шпильки фланцевых соединений трубопроводов, различного оборудования, в том числе используемого в атомной энергетике, работающего под большим давлением, являются элементами, от прочности и надежности которых часто зависит работоспособность оборудования в целом. В настоящее время способы индивидуального контроля напряженно-деформированного состояния шпилек, их предельной «вытяжки» по критерию потери прочности в процессе эксплуатации оборудования отсутствуют, что исключает возможность мониторинга прочностной надежности работы оборудования и изменения герметичности фланцевых соединений.
В настоящей работе представлено защищенное патентом техническое решение по разработке устройства для контроля в условиях эксплуатации оборудования «вытяжки» резьбовых шпилек, позволяющее получить информацию для определения изменения герметичности фланцевых соединений и оценить возможность разрушения шпилек вследствие потери прочности. Использование разработанного устройства позволит обеспечить реализацию в условиях эксплуатации оборудования системы технического мониторинга по критерию прочности шпилек, оперативный контроль остаточной прочности крепежных элементов и предотвратить аварийные ситуации при работе оборудования.
Разработанное устройство позволяет в процессе эксплуатации оборудования фиксировать удлинение крепежных элементов (в частности, шпилек и болтов фланцев трубопроводов, задвижек и другой арматуры), обеспечивает как визуальный, так и автоматизированный контроль текущего и предельно допустимого удлинения.
Устройство контроля прочности шпилек или болтов (рис. 1) представляет собой стержень 1 и 2, вставленный в сквозное отверстие, выполненное параллельно оси шпильки 3 или болта 4, либо в паз 8, прорезанный вдоль шпильки снаружи (рис. 2) на глубину, обеспечивающую размещение стержня в теле шпильки (болта) ниже внутреннего диаметра резьбы. Один конец стержня закреплен относительно одного края отверстия или паза (возможен резьбовой конец, закрепленный законтренными гайками 5), а второй, выступающий конец стержня, изогнут под углом 90° и в исходном состоянии прилегает к торцу шпильки(болта). Оценка прочности шпильки (болта) выполняется по величине смещения незакрепленного конца стержня, изогнутого под углом 90°, являющегося индикатором растяжения, относительно торца шпильки (болта) на угол α (рис. 3). Его предельное значение устанавливают на основе растяжения шпильки (болта) до разрушения на разрывной машине, прикладывая через гайки шпильки (или головку болта и гайку) нагрузку при расстоянии между гайками на шпильке или расстоянии между головкой болта и гайкой, равном суммарной толщине соединяемых фланцев и величине зазора между ними в изделии.
На графике (рис. 4) остаточная прочность шпильки (болта) в исходном состоянии равна единице и убывает по мере растяжения шпильки (болта) до нуля при ее (его) разрушении.
Экспериментально или расчетным путем определяется предельная (критическая) величина угла αк, при которой удлинение шпильки (болта) вследствие воздействия растягивающей нагрузки приводит либо к разрушению шпильки (болта), либо к разгерметизации фланцевого соединения.
Предлагаемое устройство позволяет определить момент достижения углом α его предельной величины αк путем фиксации линейного отклонения Х индикатора от торца шпильки или болта (рис. 3) при критическом удлинении шпильки (болта). Для визуального определения предельно допустимого удлинения на контролируемый конец шпильки или резьбовой конец болта накручивается пробка 6 с отверстием в центральной части, при этом высота отверстия от торца пробки до торца шпильки (болта) соответствует величине Х. При отклонении индикатора выше торца пробки можно визуально отслеживать предельно допустимую величину удлинения шпильки (болта), то есть, если индикатор вышел из пробки – необходима замена крепежа.
Предусмотрена возможность автоматизации процесса контроля предельно допустимого удлинения шпилек и болтов. Для этого пробка 6 изготавливается из диэлектрического материала (например, из пластмассы) и сверху закрывается крышкой 7 из токопроводящего материала (например, из железа), исключая контакт с металлическими деталями. Крышка в этом случае играет роль контакта. При критическом удлинении шпильки (болта) происходит отклонение на угол αк индикатора и касание им крышки пробки, тем самым замыкается электрическая цепь, одним контактом которой является индикатор, другим – крышка. Таким образом, система «индикатор - крышка» выполняет функцию реле и может подавать сигнал, позволяющий дистанционно отслеживать достижение предельно допустимой величины удлинения шпильки (болта) и возможности ее разрушения.
Об авторах:
В. Н. Сызранцев, д.т.н., профессор, Заслуженный деятель науки РФ, зав. кафедрой «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» Тюменского государственного нефтегазового университета. E-mail: v_syzrantsev@mail.ru
Ю. Г. Денисов, генеральный директор,
В. П. Вибе, инженер,
Д. С. Федулов, инженер,
Фирма «СТЭК», г. Курган
Тел.: +7 (3522) 63-08-78, e-mail: ctek45@yandex.ru
Опубликовано в "Вестнике арматуростроителя" №3 (31), 2016
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя» № 3 (31) 2016
