Исследования деформаций цилиндрических оболочек с водой при ее замерзании Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

Ю.А. Гагарин, С.Н. Пичков, А.А. Шумаев, Э.Г. Новинский

ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК С ВОДОЙ ПРИ ЕЕ ЗАМЕРЗАНИИ

Опытное конструкторское бюро машиностроения им. И.И. Африкантова

Статья посвящена исследованиям прочности цилиндрических труб (ЦТ) размером 016*3 мм, 042*5 мм, 0102*11 мм длиной 400 мм, изготовленных из аустенитной стали типа 08Х18Н10Т, заполненных водой в случае её замерзания при минусовых температурах, и моделируется их поведение при возможных гипотетических авариях в транспортных ЯЭУ. Исследования ЦТ проводились в термокамере (ТК) в течение 24 часов при температурах -1 °С; -5 °С; -10 °С; -15 °С. Перед установкой в ТК и после выдержки при каждой температуре измерялся наружный диаметр труб по длине в пяти сечениях. Проведенные исследования позволили определить остаточные деформации в ЦТ при замерзании в них воды. Результаты исследований могут быть полезны при эксплуатации подобных труб при низких температурах.

Ключевые слова: деформация, нержавеющие трубы, замерзание воды.

Объектом исследований являлись цилиндрические трубы размером 16*3 мм, 42*5 мм, 102* 11 мм длиной 400 мм (рис. 1-3). Трубы входят в испытательные сборки.

Краткое описание методики проведения испытаний

Испытания сборок проводились в термокамере ТУ1000, позволяющей получать низкие температуры до -70 °С. Перед началом испытаний сборки заполнялись до отказа водой комнатной температуры, после чего плотно закрывались фланцами. Присутствие воздуха в сборках не допускалось. Испытуемые сборки помещались в термокамеру и выдерживались при температурах 1 = -1 °С, -5 °С, -10 °С и -15 °С в течение 2-х суток. Использование для управления режимами испытаний цифрового термометра Б ТМ РИ00 позволило поддерживать заданную температуру с точностью ± 0, 1 °С.

Перед установкой сборок в термокамеру и после выдержки при каждой температуре измерялся наружный диаметр труб в пяти по длине сечениях А, Б, В, Г и Д (рис. 1-3, размеры приведены в мм). Измерение в каждом сечении производилось в двух взаимно перпендикулярных направлениях 1 и 2 микрометрами МК ГОСТ 6507 - 78 (цена делений 0, 01 мм). После выдержки сборок при каждой температуре проводился тщательный визуальный осмотр наружной поверхности труб с помощью 20 - ти кратной линзы на предмет обнаружения трещин. По результатам испытаний определялись абсолютная (1) и относительная (2) деформации труб:

А-В - В, (1)

в - В

д= ° 100% (2)

В В0

В формулах (1) и (2) в и в являются соответственно начальным и замеренным в процессе испытаний наружными диаметрами труб.

Результаты исследований

Результаты исходных измерений и испытаний наружных диаметров труб приведены в табл. 1. Значения абсолютных и относительных деформаций, вычисленных по формулам (1) и

© Гагарин Ю.А., Пичков С.Н., Шумаев А.А., Новинский Э.Г., 2018.

(2), приведены в табл. 2. Из полученных результатов следует, что труба 16*3 не имела остаточных деформаций даже после ее выдержки при температуре -15 °С (табл. 1, рис. 4). Труба 42*5 получила остаточные деформации, максимальная величина которых составляла 0, 75 мм или 1, 78 % (табл. 2), после испытания ее при температуре -10 °С. Снижение температуры замораживания до -15 °С способствовало увеличению значений абсолютных и относительных деформаций до 1, 11 мм и 2, 64 % соответственно (табл. 2, рис. 5). Раньше всех незначительные остаточные деформации ( Дтх = 0,06 мм, 8тх = 0,06% ) были обнаружены в трубе

102* 11 после ее выдержки при X = -5°С (табл. 2). Однако после испытания при X = -10 °С максимальная величина остаточных деформаций уже составляла 2, 82 мм или 2, 76 % (табл. 2); X = -15 °С вызвала необратимые изменения размеров наружных диаметров трубы 102*11 максимум на величину 2, 98 мм или 2, 92% (табл. 2, рис. 6). Проводимый в процессе испытаний визуальный осмотр с помощью 20-кратной линзы показал отсутствие на поверхности труб трещин. Отметим, что все испытуемые трубы не имели осевых остаточных деформаций при каждой температуре испытаний.

477

О

20'

I

90

.А

90

90

90

.Б _

400±2

чс §

V

А

Рис. 1. Основные геометрические размеры трубы 016x3 мм

477

сз \/

->— <-90-> <---> <-90-> <-90-^

А Б 4 д

400±2

е

„V

Рис. 2. Основные геометрические размеры трубы 042x5 мм

477

I

О V

20 .

А

90

90

90

90

Д

400±2

К V

Рис. 3. Основные геометрические размеры трубы 0102x11 мм

Ж

Б

В

Таблица 1

Результаты измерения наружного диаметра (мм) труб

Направление 1

Наименование Сечение Начальный Температура испытаний, °С

диаметр, мм -1 -5 -10 -15

А 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06

Б 16, 06 16, 06 16, 06 16, 07 16, 07

Труба 16*3 В 16, 05 16, 05 16, 05 16, 05 16, 05

Г 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06

Д 16, 05 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06

А 42, 11 42, 12 42, 12 42, 86 42, 87

Б 42, 11 42, 11 42, 11 42, 61 43, 22

Труба 42*5 В 42, 12 42, 12 42, 12 42, 82 43, 12

Г 42, 09 42, 09 42, 11 42, 64 42, 71

Д 42, 05 42, 05 42, 05 42, 67 42, 67

А 102,22 102,22 102,24 103,20 103,21

Б 102,18 102,18 102,21 104,59 104,61

Труба 102*11 В 102,27 102,28 102,33 104,91 104,96

Г 102,14 102,15 102,18 104,88 105,04

Д 102,13 102,13 102,15 102,80 102,92

Направление 2

Наименование Сечение Начальный Температура испытаний, °С

диаметр, мм -1 -5 -10 -15

А 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06 16, 07

Б 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06 16, 07

Труба 16*3 В 16, 04 16, 04 16, 04 16, 04 16, 04

Г 16, 07 16, 07 16, 07 16, 07 16, 07

Д 16, 06 16, 06 16, 06 16, 06 16, 07

А 42, 18 42, 18 42, 18 42, 87 42, 88

Б 42, 11 42, 11 42, 11 42, 55 43, 19

Труба 42*5 В 42, 23 42, 23 42, 23 42, 74 43, 07

Г 42, 13 42, 13 42, 13 42, 62 42, 71

Д 42, 12 42, 12 42, 12 42, 72 42, 73

А 102,06 102,06 102,07 102,72 102,81

Б 102,22 102,23 102,26 104,51 104,57

Труба 102*11 В 102,20 102,21 102,23 104,79 104,86

Г 102,06 102,06 102,09 104,88 105,04

Д 102,41 102,41 102,41 103,18 103,33

Таблица 2

Величина остаточных деформаций труб

Наименование Сечение Направление 1

Температура испытаний, °С

- 1 5 -1 0 -1 5

А, мм 5, % А, мм 5, % А, мм 5, % А, мм 5, %

А 0,01 0,02 0,01 0,02 0,75 1,78 0,76 1,80

Б 0 0 0 0 0,50 1,19 1,11 2,64

Труба 42*5 В 0 0 0 0 0,70 1,66 1,00 2,37

Г 0 0 0,02 0,05 0,55 1,31 0,62 1,47

Д 0 0 0 0 0,62 1,47 0,62 1,47

Окончание таблицы 2

Наименование Сечение Направление 2

Температура испытаний, °С

- 1 - 5 -1 0 -1 5

А, мм 5, % А, мм 5, % А, мм 5, % А, мм 5, %

А 0 0 0,02 0,02 0,98 0,96 0,99 0,97

Б 0 0 0,03 0,03 2,41 2,36 2,43 2,38

Труба 102*11 В 0,01 0,01 0,06 0,06 2,64 2,58 2,69 2,63

Г 0,01 0,01 0,04 0,04 2,74 2,68 2,90 2,84

Д 0 0 0,02 0,02 0,67 0,66 0,79 0,77

А 0 0 0 0 0,69 1,64 0,70 1,66

Б 0 0 0 0 0,44 1,04 1,09 2,59

Труба 42*5 В 0 0 0 0 0,51 1,21 0,84 1,99

Г 0 0 0 0 0,50 1,19 0,59 1,40

Д 0 0 0 0 0,60 1,42 0,61 1,45

А 0 0 0,01 0,01 0,66 0,65 0,75 0,73

Б 0,01 0,01 0,04 0,04 2,29 2,24 2,35 2,30

Труба 102*11 В 0,01 0,01 0,03 0,03 2,59 2,53 2,66 2,60

Г 0 0 0,03 0,03 2,82 2,76 2,98 2,92

Д 0 0 0 0 0,77 0,75 0,92 0,90

■ Сечение А < Сечение Б й Сечение В Сечение Г СечениеД

6 ,04 15

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Температура, °С

Рис. 4. Зависимость деформации от температурного воздействия на трубу 016^3 мм (направление 1)

43,4

Сечение А Сечение Б Сечение В Сечение Г Сечение Д

41,8

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Температура, °С

Рис. 5. Зависимость деформации от температурного воздействия на трубу 042^5 мм (направление 1)

-16 -14 -12 -10 -8 -6

Температура, °С

101,5

Сечение А Сечение Б Сечение В Сечение Г Сечение Д

Рис. 6. Зависимость деформации от температурного воздействия на трубу 0102x11 мм (направление 1)

0

Заключение

Проведенные исследования позволили определить следующие остаточные деформации в цилиндрических трубах при замерзании в них воды:

• после выдержки труб 16*3 мм, 42*5 мм, 102*11 мм при t = -1 °С в течение 2 суток остаточных деформаций не наблюдалось;

• остаточные деформации были обнаружены в трубах 42*5 и 102*11, начиная с t -10 °С и -5 °С соответственно;

• максимальная величина остаточных деформаций в трубах 42*5 и 102*11 после выдержки их при температуре -15 °С в течение 2 суток составляла величину 1,11 мм или 2, 64% и 2,98 мм или 2, 92 % соответственно;

• трещины на поверхности труб не наблюдались при всех температурах испытаний.

Дата поступления в редакцию: 02.10.2018

Y. Gagarin, S. Pichkov, A. Shumaev, E. Novinskiy

DEFORMATION RESEARCH OF CYLINDRICAL SHEATH WITH WATER INSIDE WHILE FREEZING

JSC OKBM AFRICANTOV, Nizhniy Novgorod

Purpose: The article is devoted to the research of the strength of cylindrical tubes (ЦТ) of size 016x3 mm, 042x5 mm, 0102x11 mm length 400 mm made of austenitic steel 08Х18Н10Т and filled with water in case of its freezing at subzero temperatures and simulate their behavior during possible hypothetical accidents at transport NPPs. Methodology: Cylindrical tube researches were carried out in a heat chamber, which allows to obtain low temperatures up to minus 70 °С and exposure at each temperature: t = -1 °С; -5 °С; -10 °С; -15 °С for 24 hours. Before installation in the TC and after exposure at each temperature, the outer diameter of the tubes was measured along the length in five sections.

Findings: The results showed:

- tube 016х3 mm has not residual deformations after exposure at t = -15°C;

- in tube 042x5 mm occurred residual deformations of 1,78 % after testing at t = -10 °С, at t = -15 °С has residual deformations of 2,64 %;

- tube 0 102x11 mm at t = -15 °С has residual deformations of ~ 3 %. Axial residual deformations in all tested tubes were absent.

Value: The carried out researches allowed to determine residual deformations in cylindrical tubes when water freezes inside. The research results can be useful in the operation of such tubes at low temperatures.

Key words: deformation, stainless steel ducts, water freezing