Проблемы машиностроения и надежности машин, 2020, № 2, стр. 31-37

УСЛОВИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И ГЕРМЕТИЧНОСТИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ МУФТАМИ

Д. У. Хасьянова *

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Москва, Россия

* E-mail: dinara.khasyanova@mail.ru

Поступила в редакцию 28.01.2018
Принята к публикации 25.12.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В статье представлена методика исследований двух партий сплавов на основе Ti и Ni, обладающих эффектом памяти формы, с помощью которой были получены деформационные характеристики образцов сплава. На основании полученных результатов дана оценка применения сплавов с различными деформационными характеристиками для увеличения надежности и герметичности соединений трубопроводов с использованием муфт из сплава с эффектом памяти формы.

Ключевые слова: термомеханические соединения, эффект памяти формы, сверхупругость, мартенситное превращение, фазовые превращения, сплавы на основе TiNi

В результате анализа неисправностей летательных аппаратов было установлено, что на планер приходится до 12% отказов, а на бортовые системы их более 88% [1]. Трубопроводы являются “кровеносной” системой летательных аппаратов, обеспечивающие работоспособность, автоматизацию управления и контроль всего комплекса агрегатов и узлов. По безопасности полета наиболее важным является обеспечение надежности пневмо- и гидросистем самолета. Условия работоспособности отличаются по температуре эксплуатации (от –60 до +300°С) и давлению, которое может достигать до 500 атм. Трубопроводы гидравлических и топливных систем работают в наиболее трудных условиях эксплуатации. В результате пульсаций и гидравлических ударов трубопроводы подвержены вибрационным нагрузкам, они испытывают высокие циклические, динамические и монтажные напряжения. Суммарная протяженность трубопроводов для одного изделия может достигать нескольких километров. Обеспечение высокой эксплуатационной надежности трубопроводных систем и повышение конструктивно-технологических возможностей при снижении трудоемкости монтажно-сборочных работ – одно из приоритетных направлений в авиационной промышленности. Основные требования, которые предъявляются к соединениям трубопроводов, это обеспечение герметичности и надежности во всем интервале температур эксплуатации.

Соединения трубопроводов подразделяются на неразъемные и разъемные. Большинство неразъемных соединений изготавливаются сваркой или пайкой стыков из однородных материалов. После сварки в защитной среде, швы подвергаются зачистке от окалин и свищей. Снятие внутренних напряжений в сварном шве осуществляется термообработкой [2].

При пайке, качество соединений зависит от тщательности подготовки контактируемых поверхностей. Точность расположения арматуры относительно труб не должна превышать 0.2 мм, а радиальный зазор 0.05–0.15 мм. Надежность зависит от тщательности подготовки поверхностей комплектующих, оборудования и соответствующей квалификации обслуживающего персонала.

С целью снижения веса агрегатов, узлов и исполнительных механизмов требуется увеличение рабочего давления жидкости до 800 АТИ и обеспечение вакуумо- и водородоплотности.

Контроль скрытых дефектов, таких как частичное незаполнение шва, пористость, мелкие трещины в зоне шва или околошовной зоне обязательно проверяются рентгенопросвечиванием. При этом трудоемкость монтажно-сборочных и контрольных работ являются значительными.

Конструкция муфты и соединения ТМС. Одним из направлений по повышению работоспособности и снижению трудоемкости трубопроводных систем является применение муфт термомеханического соединения (ТМС) из материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). Муфта ТМС в процессе монтажа при определенных условиях, обладает свойством самовосстанавливаться, осуществляя целенаправленную работу по пластическому деформированию законцовок трубопроводов и расширяет технологические возможности сборки. Прочность соединений соответствует прочности труб. Данные соединения применимы для трубопроводов не только малых диаметров и толщин, но и для разнородных материалов. Их сборка может осуществляться в труднодоступных местах. Отсутствие термического влияния позволяет сохранять исходную прочность труб из нагартованного материала.

Соединительные муфты, после фазовых превращений материала радиально деформируются (в пределах до 8%) и до монтажа сохраняются в холодном состоянии. После монтажа происходит нагрев за счет естественного подвода тепла. В результате обратного превращения материала при нагреве происходит восстановление исходных размеров муфты [3].

Технологическая схема процесса создания неразъемного соединения трубопроводов муфтами ТМС, представлена на рис. 1. В исходном состоянии муфта ТМС имеет внутренний размер на величину δ2 меньше, чем наружные размеры труб. Монтаж соединений производится с гарантированным зазором δ3.

Рис. 1.

Процесс создания соединения: А – исходное состояние соединяемых элементов; Б – монтаж соединений; С – создание муфтой соединения; 1 – муфта ТМС; 2 – соединяемые трубы; D1 и D2 – исходный и деформированный диаметры муфты соответственно; D0 – размеры труб и муфты после создания соединения; δ2 – размер превышения между трубой и муфтой; δ3 – зазор между муфтой и трубой.

Характерной особенностью для данных соединений является работа, которую осуществляет сам материал муфты. Величины и условия напряжений, генерируемых в материале муфты, определяются свойствами и последовательностью фазовых превращений. Надежность и герметичность определяются конструктивными параметрами муфты и технологическими процессами изготовления и монтажа.

Исследование сплава с ЭПФ, применяемый в соединительных муфтах ТМС. Из всех известных в настоящее время материалов с ЭПФ, никелид титана (сплав на основе TiNi) обладает наиболее высокими механическими, технологическими и коррозионными свойствами. В зависимости от соотношения компонентов Ti, Ni и легирующих элементов, фазовые превращения в сплавах могут происходить при температурах от –200 до +100°С.

По отношению к нормальной температуре, сплав может находиться в аустенитном (В2) или мартенситном (В19) состоянии. В промышленности принято маркировать сплавы, находящиеся в аустенитном состоянии –ТН1, а мартенситном –ТН1К. Следовательно, для трубопроводов с температурой эксплуатации от –60°С фазовые превращения в муфтах ТМС должны проходить при температурах ниже –60°С.

В процессе работы авторами были получены зависимости деформационных характеристик сплава с эффектом памяти формы в зависимости от температурных условий. Деформационное поведение материала и виды проявляемых эффектов в зависимости от температуры представлены на рис. 2. При температурах Т0 и Т1 (ниже температуры МК) сплав находится в мартенситном (В19) состоянии. Деформированный материал в пределах 8% – “мартенситной неупругости” при нагреве является формообратимым (рис. 2) при Т2. При температурах Т3 и Т4 – аустенитное состояние, где проявляется эффект сверхупругости, который характеризуется стабильной величиной напряжений возврата в пределах от 2 до 6%. Температура Т5 (выше Мd – верхний предел температуры эксплуатации) характеризует такое аустенитное состояние, деформация которого приводит к необратимой пластичности.

Рис. 2.

Деформационные характеристики материала в зависимости от температуры: Мs и Мf  – температуры начала и конца мартенситных превращений; Аsи Аf – температуры аустенитных превращений; Мd – температура, ниже которой механические напряжения стимулируют МП; σ – напряжение термомеханического возврата; ε – деформация; В19 – мартенситая и В2 – аустенитная фазы; СУ – сверхупругость.

Уникальные свойства сплавов с ЭПФ проявляются не только в том, что они обладают свойством “памяти формы”, но и обладают сверхупругостью (СУ), которая может достигать до 10% от деформации. Эта деформация может проявляться в окрестностях интервалов мартенситных превращений (МП), а при соответствующих металлургических и термомеханических переработках, распространяться до температур на 200°С превышающих интервал обратного МП. Следовательно, можно иметь конструкции из материалов, обладающих свойством СУ в интервале температур эксплуатации. Это явление связано с особым ромбоэдрическим (R) превращением. Исследования электронной структуры и структурной неустойчивости TiNi, проведенные А.И. Лотковым [4] показывают, что ромбоэдрическому превращению предшествует переход с изменением локализации электронов и изменением топологии поверхности Ферми. Уровень Ферми в TiNi расположен в окрестностях состояния острой плотности. Поэтому, даже небольшое повышение или снижение концентрации электронов или их перераспределение по энергии, приводит к изменению концентрации атомов Ni в матрице и изменению температур превращения.

Целенаправленную работу восстановления муфты при нагреве осуществляет сам материал. Генерируемые напряжения, в процессе восстановления размеров, определяются видами и последовательностями фазовых превращений.

Методика определение деформационных характеристик для образцов, изготовленных из различных партий сплавов ТН1 и ТН1К. Определение деформационных (термомеханических) характеристик σ (напряжение термомеханического возврата) ε (деформирование) осуществлялось на гладких разрывных образцах, изготовленных из сплавов ТН1 и ТН1К.

Характеристики термомеханического возврата σ зависят от вида предварительной деформации, поэтому схема нагружения образцов в мартенсите должна по возможности имитировать поведение силового элемента в узле [5].

Испытания производились в соответствии с требованиями ГОСТ 9651-92 при растяжении на специальной установке для измерения характеристик возврата на гагаринских образцах при заданной деформации ε. Исследование напряжений сопротивления деформирования (напряжения термомеханического возврата) растяжением материала σ в пределах до 10% осуществлялось при фиксированной температуре в интервале от МП до –196°С и скоростью 0.2 сек–1. Заданная температура деформирования производилась за счет интенсивности подачи паров азота, или нагрева трубчатой печи. При достижении заданной степени деформации осуществлялась разгрузка машины до величин 0–10 МПа, выдержка 1–2 мин и последующий нагрев.

Результаты проведенных испытаний для определения термомеханических характеристик образцов, изготовленных из сплава ТН1 (Ti-51%атNi) и ТН1К (Ti-47.5%атNi–2.5%ат.Fe). Процессы, происходящие при восстановлении стандартных образцов для различных материалов, представлены на рис. 3, 4. Деформированные при температурах ниже Мf образцы, в условиях жесткого противодействия, нагревались до температур, превышают температуру Аf. Нагруженные внутренними напряжениями образцы (точка А), с регистрацией действующих усилий выдерживались в течение 120 час.

Рис. 3.

Деформационные характеристики поведения сплава ТН1 (Ti + 51 ат% Ni): пунктирной линией показан процесс нагружения мартенсита; температура выдержки 20°С; А–В – падение напряжений во время выдержки; В–С – снятие нагрузки; С–Д – возврат формы при дополнительном нагреве; Д–О – остаточная (пластическая) деформация.

Рис. 4.

Деформационные характеристики поведения сплава ТН1К (Ti + 48 ат%Ni + 2 ат%Fe): пунктирной линией О–А показан процесс нагружения мартенсита; температура выдержки 20°С; А–В – падение напряжений во время выдержки; В–С – снятие нагрузки.

Для сплавов, ТН1 и ТН1К, в которых деформированный мартенсит (В19) непосредственно трансформируется в аустенитную (В2) фазу, при температурах несколько превышающих интервал превращений, образуется доля мартенсита напряжений (В19'), которая обладает пониженным эффектом СУ. Процесс фазовых превращений в сплаве реализуется по схеме: В19 → В19' + В2 → В2. При дальнейшем повышении температур или снижении действующих напряжений, мартенсит напряжений B19' постепенно превращается в аустенитную В2 фазу.

Длительная выдержка в течение 120 часов показывает, что действующие напряжения снижаются от 450 до 150 МПа. При снятии противодействия наблюдается недовосстановление в пределах 4–4.5%. Дополнительный нагрев до 200°С способствует к частичному восстановлению деформации (точка Д). Однако остаточная (пластическая) деформация (кривая Д–О) в пределах 1.5% не восстанавливается даже при нагреве до 300°С. Такое поведение материала вероятно связано с реализацией в мартенсите напряжений релаксационных процессов осуществляемых путем пластического сдвига.

В сплавах ТН1К, с повышенным содержанием Ti и дополнительно легированных Fe, деформированный мартенсит (В19) при нагреве трансформируется в аустенитную фазу по схеме В19' → В19' + R → R → В2. Мартенсит напряжений В19' и R фаза обладают СУ, которая может существовать и в интервале температур эксплуатации (рис. 4).

В этом случае, величина генерируемых напряжений в зависимости от длительности выдержки, снижаются незначительно и составляют примерно до 450 МПа ((рис. 4, точка В). Снятие противодействия реализуется с эффектом СУ (по линии В–С) без остаточного недовосстановления.

Обсуждение результатов. Соединения трубопроводов в процессе эксплуатации циклически подвергаются термическим воздействиям от –60 до +300°С. При различных температурах, контактируемые размеры трубопроводов колеблются в зависимости коэффициентов термического расширения [6]. В связи с тем, что величина упруго напряженного состояния термомеханических соединений зависит от размеров недовосстановления, термические колебания контактируемых размеров провоцируют релаксационные процессы, которые влияют на эксплуатационную надежность ТМС.

Муфты из сплавов, в которых СУ состояние при температурах эксплуатации отсутствует, а величина недовозврата превышает 5%, при термоциклировании наблюдается снижение степени герметичности.

Высокой надежностью и герметичностью обладают соединения из тех сплавов, в которых проявляется эффект СУ при температурах эксплуатации. В этом случае, любые термические колебания размеров деталей компенсируются сверхупругостью. Контактная нагрузка и уровень напряженного состояния в термомеханических соединениях зависит от величины деформации недовосстановления. При эксплуатационных колебаниях температур, размеры контактируемых поверхностей соединения изменяться в зависимости от коэффициентов термического расширения. В зоне контакта термические нагрузки влияют на стабильность термомеханических напряжений, которые определяют эксплуатационную надежность соединений. Особо существенно это относится к разъемным (фитинговым и ниппельным) соединениям. После определенного времени из-за термических и температурных колебаний происходит расслабление соединений. В таких случаях необходимо осуществлять подтяжку (рис. 5). Использование ниппелей или фитингов из сплавов с ЭПФ, обладающих СУ, позволяет осуществлять постоянство напряжений в зоне контакта при более низких значениях практически для всего периода эксплуатации.

Рис. 5.

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

Выводы. СУ деформирование до 6%, при снятии нагрузки, приводит к полному восстановлению размеров. Действующие при этом напряжения деформирования и восстановления примерно одинаковы и составляют 350–400 МПа. Увеличение деформирования до 8% сопровождается резким повышением напряжений сопротивления, неполным проявлением СУ и появлением необратимой пластичности. Дальнейшее повышение степени деформирования приводит к превалированию пластичности над СУ. Напряжения, при реализации остаточной СУ, несколько снижаются и составляют примерно 300 МПа. Следовательно, для обеспечения высокой надежности, в соединениях муфтами ТМС необходимо применение сплавов, обладающих СУ в интервале температур эксплуатации. Остаточная величина недовосстановления должна находиться в пределах от 2–5%. В этом случае, действующие в зоне контакта напряжения термомеханического возврата будут стабильны и независимы от термических колебаний.

Список литературы

  1. Хасьянова Д.У. Применение материалов с эффектом памяти формы для соединения трубопроводов в авиационной промышленности. Авиационная промышленность. 2016. № 3. С. 37.

  2. Хасьянова Д.У. Технологическое обеспечение качества изготовления муфт ТМС и сборки трубопроводов. Диссертация на соиск. уч. степ. канд. наук. МГУПИ, Москва, 2012г. 115 с.

  3. Lotkov A., Grishkov V., Timkin V., Baturin A., Zhapova D. Yield stress in titanium nickelide-based alloys with thermoelastic martensitic transformations. Materials Science and Engineering A. 2019. V. 744. P. 74

  4. Lotkov A.I., Kuznetsov A.V. Elastic properties of Ti-Ni single crystals preceding B2 → B19' and B2 → R → B19' martensitic transformations. Physics of Metals and Metallography. 1988. V. 66 (5). P. 65

  5. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: Научно-издательский центр “Регулярная и хаотическая динамика”, 2007. 412 с.

  6. Махутов Н.А., Шишкин С.В. Безопасные соединения трубопроводов с эффектом памяти формы. М.: ИМАШ РАН, 1999. 504 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.