Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 4, стр. 63-69

Трубопроводы – это устройства, по которым транспортируются жидкие, газообразные и сыпучие вещества. Их использование в машиностроении крайне велико. Безотказность работы машин во многом зависит от надежности трубопроводов и их соединений.

Соединения трубопроводов являются нагруженными элементами коммуникаций и в зависимости от их назначения и условий работы, определяется тип соединений и его эксплуатационные характеристики. Для изделий авиационной промышленности уделяется особое внимание следующих показателей: трудоемкость изготовления элементов соединения, простота их монтажа и периодичность контроля с регламентными работами по обеспечению герметичности [1]. Оценка конструктивных характеристик соединений осуществляется по эффективному коэффициенту концентрации напряжений

Такой коэффициент в зависимости от пределов выносливости $\sigma _{{тр}}^{{ - 1}}$ трубы в состоянии поставки, и выносливости соединения $\sigma _{{соед}}^{{ - 1}}$ должен мало отличаться от единицы.

Исходными заготовками для ответственных трубопроводов служат бесшовные холоднотянутые и холоднодеформированные трубы из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, ВНС2, титановых сплавов ОТ4, 7М. Наиболее распространенными разъемными соединениями с исполнительными устройствами, переходниками, тройниками, штуцерами являются ниппельные конструкции с накидными гайками [2]. Если герметичность соединений в процессе эксплуатации может обеспечиваться периодической подтяжкой, то предел выносливости, зависящий от условий контакта ниппеля с трубой, определяется совершенствованием конструкций. На рис. 1 схематически представлено ниппельное соединение. Согласно статистике, для таких соединений более 50% отказов приходится на места перехода развальцовкой части 3 цилиндрической трубы в коническую, т.е. в районе развальцовки трубопровода и в контактной зоне ниппеля 2 с трубой 1.

Рис. 1.

Ниппельное соединение: 1 – труба; 2 – ниппель; 3 – прокладка; 4 – накидная гайка; 5 – штуцер.

Основными причинами отказов являются поперечные колебания близлежащих участков трубопровода. Если между внутренней поверхностью (рис. 1) ниппеля 2 и внешним диаметром трубы 1 существует зазор, то поперечные колебания вызывают изгиб у основания конуса 3 и фреттинг-коррозию у среза ниппеля и как следствие, низкий предел выносливости σ^–1 такого ниппельного соединения (рис. 2, линия 1), σ_max, кГ/мм².

Рис. 2.

Зависимость предела выносливости соединения (максимального напряжения в цикле, σ_max) от поперечных колебаний. N – число циклов.

В процессе развальцовки, у основания конуса образуется утончение и в сочетании с поперечными колебаниями трубы и неравномерностям от монтажных напряжений приводит к снижению прочности соединений и к возможным разрушениям (рис. 3).

Рис. 3.

Фотография разрушения трубопровода.

Предел выносливости соединений в значительной степени зависит от величины зазора между поверхностями трубы и ниппеля и имеет тенденцию к повышению при уменьшении зазора и обеспечения некоторого натяга. Предел выносливости σ^–1 паяного соединения значительно увеличивается при снижении данного зазора (рис. 2, линия 3), а при применении беззазорной (обкатанной или обжимной) конусной прокладки 3 это увеличение для σ ^–1 составляет 30–40% (рис. 2, линия 4) [3].

Однако процесс пайки приводит к термическому воздействию на контактируемые материалы, а отсутствие зазора при обжиме приводит не только к заеданию в процессе монтажа при скольжении накидной гайки, но и к определенным затруднениям выполнения стабильных моментов затяжки для обеспечения герметичности. Соединения не нашли широкого применения.

Замена традиционных конструкционных материалов на сплавы TiNi с эффект памяти формы (ЭПФ) при изготовлении ниппельной арматуры позволяет не только существенно повысить технологичность соединений, снизить трудоемкость монтажных и регламентных работ, но и достичь предела выносливости соединений около 0.9 от предела выносливости труб в состоянии поставки. Такие характеристики обеспечиваются за счет создания беззазорного соединения труб с ниппельной арматурой, обеспечивая гарантированный натяг, а также предотвращая возможность возникновения фреттинг-коррозии из-за наличия демпфирующих элементов в переходной зоне трубы и ниппеля.

Проявление в интервале эксплуатационных температур эффекта сверхупругости (СУ) [4] позволяет решать задачу поддерживания высокой степени герметичности в результате обеспечения постоянства напряжений в резьбовой части соединения. Напряжения момента затяжки сохраняются на стабильном уровне независимо от температурных колебаний из-за разности коэффициентов термического расширении и скачков механического воздействия.

Уникальные характеристики возникают за счет фазовых превращений, которые способны в узком интервале температур 2–40°С и действии напряжений, осуществлять обратимые термоупругие превращения.

В зависимости от соотношения компонентов, методов переработки для каждого конкретного сплава интервалы температур фазовых превращений и действующие при этом напряжения существенно отличаются.

На рис. 4 схематически, представлены условия проявления ЭПФ, СУ в зависимости от внешних напряжений σ_r, и температуры Т.

Рис. 4.

Зависимость проявления свойств сплава с ЭПФ: M_d – температура, с которой начинается “ смягчение” решетки аустенитной фазы, которая сопровождается термической неустойчивостью решетки к сдвиговому превращению; М_н, М_к – температуры начала и конца мартенситного превращения; А_н, А_к – температуры начала и конца аустенитного превращения; σ_t – предел текучести В2 фазы; σ_r – действующие (внешние) критические напряжения.

На рис. 4 представлены случаи максимального и минимального значений критических напряжений σ_r. При min значениях напряжения σ_r проявляется широкая область ЭПФ и некоторая доля СУ, но только СУ без ЭПФ существовать не может, т.к. при температуре выше А_к и пределе текучести σ_t возникает пластическая деформация (скольжение) аустенитной В2 фазы. Если σ_t – предел текучести В2 фазы, при температурах выше А_к значительно возрастает, то при температурах до M_d не только проявляется эффект СУ, но и при реализации ЭПФ, увеличиваются генерируемые напряжения термомеханического возврата σ_R и степень восстановления формы. Повышение пределов текучести материала σ_t возможно как металлургическим (изменением соотношения Ti↔Ni компонентов и введением легирующих элементов), так и термомеханическими воздействиями и фазовым наклепом.

На рис. 5 представлены термомеханические характеристики сплавов в зависимости от соотношения основных компонентов Ti и Ni.

Рис. 5.

Зависимость термомеханических характеристик сплавов от соотношения компонента Ni в сплаве.

С целью обеспечения высокой степени возврата формы ε для соединительных элементов типа муфт термомеханических соединений (ТМС), большой величины генерируемых напряжений σ_R и проявления эффектов СУ, необходимо применять сплавы с концентрацией никеля более 50.5 ат.% Ni и дополнительно легированные железом более 3 ат. % Fe. При этом разность между пределом текучести σ_t и величиной критических сдвигов σ_ṙmin должна составлять не менее 400 МПа. На рис. 5 представлены характеристики сплавов в зависимости от концентрации ат. % Ni.

Для материалов, проявляющих свойства СУ, особо следует отметить, что воздействие на аустенитную В2 фазу при изотермических условиях внешними σ_ṙ или внутренними (от генерации) σ_R напряжениями в интервалах температур Ан ↔ Md сопровождается фазовыми превращениями некоторого объема аустенита (В2) ↔ в мартенсит напряжений (В19^!!). В зависимости от интенсивности напряжений или колебания их величин изменяются (возрастают или снижаются) объемы превращающегося В2 ↔ В19^!!. Схематично эти изменения представлены на рис. 6. Деформирования при температурах выше M_dпроисходят, как и для конструкционных материалов, скольжением. В этом случае проявления ЭПФ или СУ не наблюдаются.

Рис. 6.

Зависимость объема превращения V_r  сплава от напряжений σ_R.

На основании характеристик материалов, обладающих ЭПФ и СУ по обеспечению высокой надежности неразъемных ТМС, разработаны конструкции ниппельных соединений из этих сплавов [5]. Преимущества данных конструкций по сравнению со сварными или паяными соединениями состоят в том, что в результате термического влияния отсутствует заметное разупрочнение материала труб, нет необходимости в зачистке сварных или паяных швов и проведения рентгеноконтроля.

На рис. 7 представлены особенности по термомеханической установке элементов арматуры из TiNi с трубами для последующего монтажа разъемных соединений трубопроводов диаметрами от 6 до 20 мм. Внешний контур арматуры (ниппелей системы “конус по конусу” и “сфера по конусу”) соответствует контуру для конструкционных материалов и позволяет применять традиционные способы монтажа. Внутренняя поверхность соответствует размерам и требованиям муфт ТМС.

Рис. 7.

Соединения ниппелей из сплава с ЭПФ: (а) – нипель для соединения по внутреннему контуру; (б) – ниппель для соединения по наружному контуру; (в) – процесс монтажа; (г) – готовое соединение.

Установленная при нагреве радиально деформированная арматура осуществляет обжим поверхности труб, образуя прочный и беззазорный контакт. В зоне контакта аустенитной (В2) фазы арматуры с трубой образуется упруго напряженное состояние, стимулирующее фазовые превращения с образованием мартенсита напряжений (В19^!). Характерной особенностью существования В19^! является его зависимость от интенсивности действующих напряжений. Если напряжения от термических (влияние коэффициента термического расширения (КТР)) или механических воздействий изменяются (возрастают ↔ снижаются), то увеличивается ↔ уменьшается содержания В19^! в массиве В2 на ту величину, на которую изменяются действующие напряжения, стабилизируя на некоторой величине упруго напряженное состояние.

Наиболее высокую надежность по обеспечению герметичности, при минимально допустимых моментах затяжки, показывают разъемные соединения по внутреннему конусу с углом 24° и сферическим ниппелем.

Результаты испытаний на базе 10⁷ циклов по определению предела выносливости со стороны ниппеля под нагрузкой 180–230 МПа показали, что они находятся в пределах примерно 0.95 от предела выносливости трубы в состоянии поставки.

Значительные преимущества таких соединений состоят в том, что герметичность в аналогичных условиях создается при сравнительно меньших моментах затяжки, чем для традиционной арматуры.

Особо следует отметить, что σ_R – минимальные значения критических напряжений мартенситного сдвига, достаточные для фазовых превращений типа В2 ↔ R ↔ В19^! и составляют 250–300 МПа и зависят от предела текучести σ_T матрицы TiNi [6]. Например, для ниппельного соединения со штуцером из конструкционных материалов резьбовой гайкой М14, момент затяжки должен находиться в пределах 1500–3000 Н см [7]. В этом случае контактные напряжения составят 550–600 МПа, что значительно превышают σ_R – напряжений фазового превращения. Следовательно, для арматуры из сплава с ЭПФ момент затяжки обеспечивает надежную герметичность, которая составляет 500–2500 Н см. Температурно-циклические (от –60 до 200°С) испытания с пульсирующим давлением и многократной (до 10 раз) переборкой с проворотом не влияют на прочность и герметичность соединений. Для обеспечения герметичности при термических колебаниях размеров отпадает необходимость в периодических подтяжках. Преимущества термомеханических соединений, в сочетании с высокой коррозионной стойкостью при всеклиматических условиях, исключают необходимость использования квалифицированных операторов по монтажу, а также отсутствует термическое или электромагнитное воздействие на окружающие устройства, что позволяет характеризовать данные соединения как надежные и высокотехнологичные.