Максимальная нагрузка на профильную трубу таблица: Please Wait… | Cloudflare

Содержание

Нагрузка на профильную трубу: таблица расчетов

Профильные стальные изделия востребованы в современном строительстве благодаря продолжительному сроку эксплуатации и простотой монтажа. Перед покупкой труб необходимо произвести расчеты нагрузки и прочности на изгиб, чтобы определиться с видом и количеством материалов.

Особенности профильных изделий

Профильные трубы, которые широко используются в монтаже различных конструкций и прокладке коммуникаций, представляют собой полый продолговатый металлический брусок с сечением квадратной или прямоугольной формы.

Материалом для изготовления профильных изделий является высокоуглеродистая сталь различных марок.

Профилированная стальная труба служит материалом для сооружения каркасов различный конструкций:

  • теплиц;
  • павильонов и остановок;
  • рекламных конструкций;
  • перегородок;
  • лестниц;
  • мебели и т. д.

Также стальная труба может использоваться в качестве перекрытия или балки.

Зачем нужны расчеты

Стальные профили, собранные в конструкцию, испытывают нагрузку других материалов или веществ, а также испытывают напряжение в металле при изгибе. Превышение максимально допустимой нагрузки влечет деформацию трубопрокатных изделий или их разрыв.

Неверно рассчитанная нагрузка повлечет за собой неустойчивость конструкции, невозможность сборки или разрушение в последующем. Это чревато лишними финансовыми затратами на ремонт, приобретение материалов и восстановление конструкции.

В процессе эксплуатации труб под нагрузкой происходит ряд изменений в структуре металла, которые необходимо учесть при подборе изделий. При внешнем воздействии на изделие или его изгибе в металле возникает напряжение, т.е происходит неравномерная деформация, при которой отмечается сжатие внутренних связей между молекулами и одновременное растяжение наружного слоя. При этом внутренние части металла увеличиваются в плотности, а наружные уменьшаются за счет уплотнения в месте воздействия.

Какие параметры нужны для расчета нагрузки

При подборе трубных профилей для строительства конструкций необходимо получить информацию о состоянии трубопрокатных профилей для анализа условий и возможностей изделия в процессе эксплуатации.

Данные, которые необходимы для этого:

  • размеры профиля, мм;
  • форма сечения;
  • параметры напряжения конструкции;
  • показатели прочности материала;
  • вид нагрузки на профиль.

Таким образом, принимаются в расчет точки сопротивления для каждого вида материала. При этом учитываются предельно максимальные и минимальные значения:

  • Минимум показателей предполагают нулевую нагрузку.
  • Максимальные – с изгибом изделия до состояния разрыва в металле. Учет данных значений позволит правильно рассчитать устойчивость и подобрать трубы соответствующих параметров, чтобы увеличить срок эксплуатации конструкции.

Как рассчитать нагрузку с помощью таблиц

С учетом различных параметров произведены общепринятые математические расчеты, которые сведены в единые таблицы.

Каждый желающий по стандартам и правилам может произвести расчет допустимой нагрузки по справочным общедоступным таблицам и выбрать вид металлического профиля.

Обратите внимание! Значения в справочных материалах получены учеными и расчетными бюро при использовании теории сопротивлений материалов и законов физики.

Методика расчета нагрузок на металлопрофиль по утвержденным таблицам более точна в связи с учетом в них:

  • вида опор;
  • наличия креплений;
  • типа нагрузок.

В проектах используют данные справочных таблиц из документа СП 20.13330.2011.

В случаях, когда конструкция не имеет нагрузки, берутся значения из таблицы 1 утвержденного стандарта.

Например, для перильных или декоративных конструкций. Таблицы 2 и 3 содержат показатели максимальной нагрузки на трубный профиль, когда материал может деформироваться, но без разрыва и при прекращении воздействия металлический элемент примет исходную форму и состояние.

При увеличении максимальной нагрузки конструкция может сломаться или разрушиться.

Это важно! Рекомендуется приобретать стальные профили с запасом прочности минимум в 2 раза больше предельно допустимого.

Какую нагрузку способны выдержать профильные трубы

Согласно утвержденным стандартам нагрузка по времени воздействия классифицируется на четыре группы:

  • Постоянная. На профиль оказывается воздействие без изменений показателей. Это могут быть другие материалы, грунт и т. д.;
  • Временно длительная. На профильную конструкцию оказывается нагрузка в течение продолжительного времени. Например, при возведении гипсокартонных перегородок, постройке лестниц в частных домах и т. д.;
  • Кратковременная. Трубопрокат испытывает сезонные или временные нагрузки. Например, тяжесть снега, сильного ветра или напора дождя, вес мебели и посетителей и т. д.;
  • Особенная. Нагрузка на случай стихийных бедствий или чрезвычайных ситуаций. Например, во время землетрясения, столкновения транспорта и т. д.

Обратите внимание! Во время расчета нагрузки на металлический профиль для возведения навеса важно помнить, что изделие является несущей конструкцией.

Для вычисления силы воздействия на каркас из металлопрофиля следует учесть следующие типы нагрузок:

  • вес и вид материала навеса;
  • тип снежного покрова и его высота;
  • сила ветра;
  • возможность повреждения конструкции транспортными средствами.

Другие виды расчетов

Существуют другие методы расчета нагрузки на конструкции:

  • по формуле расчета напряжения изгиба металлической трубы: расчет напряжения при изгибе = изгибающий момент силы / сопротивление

В этой формуле используется закон Гука о пропорциональности силы упругости к показателю деформации.

  • с помощью специальных готовых калькуляторов.

Обратите внимание! Следует помнить, что использование собственных расчетов по разработанным формулам может быть чревато ошибками и погрешностями. Будьте внимательны при учете всех показателей.

Как узнать, правильно ли рассчитана нагрузка

Расчет нагрузок для стальных профилей – это важный процесс, который требует внимательности и использование специальной литературы, ГОСТы, СНиПы и другую общепринятую документацию.

Чтобы проверить правильность собственных расчетов, можно воспользоваться стандартными справочными таблицами, а также проверить полученное значение на специальный сайтах с разработанными расчетными калькуляторами.

Если существует опасение произвести неверные расчеты, возможно обратиться к специалистам с опытом и подтвержденной квалификацией в сфере строительства.

Обратите внимание! Ошибки в расчетах влекут за собой разрушение строений и конструкций, что сопровождается финансовыми расходами, потерей времени и возможностью нанесения вреда здоровью людей.

Какую нагрузку выдержит профильная труба?

Профильную трубу часто выбирают из-за ее небольшого веса, возможности выдерживать высокие нагрузки на изгиб и доступной стоимости. При выборе определенного типа этого материала требуется провести расчет, чтобы определить, какой профиль подойдет для конструкции.

Какие факторы влияют на прочность?

Расчет на профильную трубу должен учитывать, какие виды нагрузки будут оказывать на конструкцию:

  • постоянные, воздействующие непрерывно – от веса постоянно используемых элементов конструкции, давления грунта;
  • длительные – это нагрузки, которые действуют на протяжении большого срока, но создаются элементами, которые могут быть заменены или устранены полностью – отделочные материалы, лестницы;
  • кратковременные – от веса предметов и элементов, которые оказывают механическую нагрузку на профильную трубу на протяжении короткого срока – снег, мебель, люди в здании;
  • особые, возникшие в результате чрезвычайных ситуаций, – при землетрясениях, внешних повреждениях.

Выбирая, какую трубу использовать, стоит учесть не только предполагаемую нагрузку, но и параметры профиля – форма сечения, толщина металла и размер профильной трубы, характеристики стали, из который изготовлена труба, относящиеся к ее прочности, общее напряжение конструкции.

Рассчитывать, какую нагрузку выдержит труба, не обязательно, если она будет использоваться для создания перил и ограждений, любых элементов, которые не относятся к постройкам и конструкциям – при планировании таких видов сооружений расчет провести необходимо.

Последствия неправильного выбора трубы для конструкций

Если не рассчитать профильную трубу, которая будет выполнять функции одного из несущих элементов конструкции, возможны следующие последствия:

  • деформация на изгиб – труба изогнется в результате механического воздействия и не вернется в начальное положения после устранения нагрузки;
  • механическая нагрузка сломает профильную трубу – в этом случае последствия разрушения будут зависеть от типа конструкции и роли трубы в ней, поэтому возможно как частичное, так и полное разрушение.

Расчет значения максимальной допустимой нагрузки на профильную трубу проводится по таблице. В подобных таблицах указывается максимально возможное значение нагрузки, которое она сможет выдержать без повреждений. При такой нагрузке профиль может изогнуться, но не сломается, поэтому и разрушение конструкции грозить не будет.

В таблице необходимо выбрать размер сечения и учесть длину пролета, для которого будут использоваться целый элемент. Под этим двум параметрам можно найти допустимую максимальную нагрузку, которую профиль сможет выдержать. Для большего удобства используются отдельные таблицы, если нужно выполнить расчет на профильную трубу прямоугольного или квадратного сечения.

Профильная труба прямоугольного сечения выдерживает равные или большие нагрузки, чем с квадратным сечением приближенного размера при длине пролета 5-6 метров. При длине 1-4 метра допустимый показатель нагрузки на квадратный профиль будет выше.

Определить, какую нагрузку на профильную трубу будут создавать основные и дополнительные элементы конструкции, предметы внутреннего обустройства, люди, транспортные средства, поможет калькулятор. Полученные значения достаточно учесть при выборе профиля в таблице.

Расчет профильной трубы на прогиб: формулы для его проведения

Опубликовано:

24.11.2014

Роман Геннадьевич, Омск задаёт вопрос:

Добрый день! Возник такой вопрос: как произвести расчет профильной трубы на прогиб? То есть я хотел бы знать, какую максимальную нагрузку может выдержать профильная труба того или иного размера, чтобы с этим размером и определиться. Сам в этом не разбираюсь, поэтому прошу говорить понятными выражениями и пояснять все обозначения в формулах. Суть в том, что у меня есть некоторые идеи по устройству летнего навеса, хотел бы сделать его из стального профиля, вот и нужно точно знать, каких размеров его покупать, чтобы потом не пришлось переделывать. Заранее спасибо за ответы.

Эксперт отвечает:

Доброго времени суток! Расчет профильных труб на прогиб проводится с использованием простой формулы: M/W, где М – это изгибающий момент силы, а W – это сопротивление. Суть его проведения проста. В данном случае действует закон Гука: сила упругости имеет прямопропорциональную зависимость от деформации. Поэтому, зная степень деформации и максимальное значение напряжения для данного материала, можно подобрать нужный вам параметр.

Рисунок 1. Расчетные сопротивления основного металла строительных конструкций.

Итак, М=FL, где F – деформация, выраженная в килограммах, а L – это плечо силы, выраженное в сантиметрах. Плечо – это расстояние от точки крепления до точки приложения силы.

Также необходимо определить максимальную прочность (R), например, для стали Ст3 она равна 2100 кг/квадратный сантиметр.

Теперь для дальнейшего расчета преобразуем выражение и получим: R=FL/W, еще раз преобразуем и получим: FL=RW, откуда F=RW/L. Поскольку нам известны параметры, кроме W, то только его и остается найти. Для этого необходимы параметры профильной трубы, то есть а – это внешняя ширина, а1 – внутренняя, в – внешняя высота, в1 – внутренняя, а также правильно подставить их в равенства для нахождения неизвестного значения для разных осей: Wx = (ва^3 – в1(а1)^3)/6а, Wy = (aв^3- a1(в1)^3)/6в.

Если же изделие имеет квадратное сечение, то формула становится еще проще, так как теперь показатель W в обоих направлениях (по горизонтали и вертикали) будет одинаковым, да и само равенство упростится, так как длина и ширина профиля тоже одинаковы.

По данным равенствам расчеты можно сделать, используя обычный калькулятор. Значения для максимальных нагрузок являются справочным материалом, поэтому найти их в интернете не составит труда. На рис. 1 представлена небольшая такая таблица. В ней вы найдете необходимые цифры для разных видов стали на прогиб, растяжение и сжатие – может пригодиться.

несущая способность, расчет на прогиб, момент сопротивления швеллера

Расчет нагрузки на швеллер (расчет на прочность)

Зачастую швеллер применяется для изготовления металлоконструкций (крановых мостов, ферм, лестниц, цеховых пролетов и пр.), при монтаже быстровозводимых зданий и сооружений, каркасов гаражей, стеллажей складских помещений, перекрытий, оснований крыш, армирования и усиления узлов. Основное достоинство этого проката – высокая несущая способность, которая имеет место благодаря форме его сечения (П-образное), при относительно малой металлоемкости.

Методика расчета размера швеллера, таблица моментов сопротивления швеллера по ГОСТ — смотрите здесь.

П-образный профиль, как горячекатаный, так и гнутый в металлоконструкциях чаще всего работает либо просто на изгиб, либо на изгиб + растяжение/сжатие. Расчет швеллера на прогиб (на прочность) – является обязательным при проектировании изделия, в состав которого входит данный профиль. Он может быть проверочным и проектировочным. Рассмотрим на примере расчет распределенной нагрузки на швеллер, который имеет шарнирное закрепление.

Пусть имеется швеллер 10П, изготовленный из стали 09Г2С. Длина балки составляет 10 метров. Для того, чтобы определить допустимое значение нагрузки на швеллер (допустимые значения), необходимы некоторые справочные данные. Возьмем их из соответствующих ГОСТов и СНиПов.

Предел текучести стали 09Г2С (или нормативное сопротивление) составляет Rун = 345 МПа. Моменты сопротивления швеллера 10П берем из ГОСТ 8240-97, и их значения относительно осей Х и Y составляют: Wx=34,9 см3, Wy=7,37 см3. Максимальный изгибающий момент возникает балке с таким типом закрепления и нагружения посередине, и определяется из выражения: М = W∙Rун.

Произведем расчет допустимого момента для двух случаев расположения швеллера: 1) стенка расположена вертикально; 2) стенка расположена горизонтально. Тогда:

  • М1 = 34,9∙345=12040,5 Н∙м
  • М2 = 7,37∙345=2542,65 Н∙м

Зная момент, определим допустимые значения распределенной нагрузки на швеллер. Она составит: 

q1 = 8∙М1/L2 = 8∙12040,5/102 = 963,24 Н/м или 96,3 кгс/м
q2 = 8∙М2/L2 = 8∙2542,65/102 = 203,4 Н/м или 20,3 кгс/м

Получив значения допустимых распределенных нагрузок на швеллер, можно сделать вывод, что при данных условиях несущая способность швеллера расположенного по вертикали примерно в пять раз больше, чем в случае его расположения по горизонтали.

Момент сопротивления швеллера при проектировании перекрытий

При проектировании перекрытий, несущих металлоконструкций не достаточно одного прочностного расчета нагрузки на швеллер. Чтобы обеспечить надежность проектируемой конструкции, необходимо также произвести расчет на жесткость швеллера. Прогиб в данном случае не должен превышать допустимое значение. Эта проверка профиля является обязательной при проектировании перекрытий для жилых и прочих помещений. Для примера возьмем ту же балку, что и ранее. Распределенная нагрузка, действующая на нее, составляет 50 кгс/м или 500 Н/м. Момент инерции швеллера 10П имеет значение Ix = 175 см4. При проверке балки на жесткость, определяется ее относительный прогиб по формуле:

  • f/L = М∙L/(10∙Е∙Ix)≤[f/L], где

М – изгибающий момент, Н∙м
L = 1000 см – длина хлыста
E = 2,1∙105 МПа – модуль упругости стали
Ix = 175 см4 – момент инерции сечения швеллера

Момент сопротивления швеллера, изгибающий момент равен: М = q∙L2/8 = 500∙102/8 = 6250 Н∙м. 

Тогда относительный прогиб швеллера 10П составит: f/L = 6250∙1000/(10∙2,1∙105∙175) = 0,017 = 1/59

Если сравнивать с допустимыми значениями относительно прогиба согласно СНиПам, то данный швеллер нельзя использовать для межэтажных перекрытий, так как там допустимое значение составляет 1/200. Следовательно, несмотря на обеспечение прочности данной конструкции, необходимо подбирать больший профиль швеллера, и проверять его на жесткость.

профильную и круглую, расчёт максимальной нагрузки

Одним из самых востребованных в строительстве изделий является стальная труба. Например, ВГП труба ВГП ду 15х2,8мм 6м может быть использована для устройства коммуникаций, а изделия квадратного сечения применяются в качестве опор. В последнем случае при проектировании необходимо верно определить несущую способность металлической квадратной трубы из стали.

Какой может быть максимальная нагрузка на опору из стальной трубы?

Во многих несущих конструкциях труба играет роль элемента, без которого невозможно соорудить каркас . Помимо этого, изделия удобно использовать при устройстве различных перегородок. Важным преимуществом продукции является то, что она подходит как для временного, так и постоянного применения. Именно поэтому зачастую трубы используют в качестве надежных опор для аппаратуры, вспомогательного оборудования.

Эксплуатация трубы в качестве несущего элемента объясняется тем, что данное изделие отличается:

  • высокой прочностью на сдавливание и разрыв;
  • невосприимчивостью к вибрациям;
  • достаточной упругостью;
  • пригодностью к многократному применению;
  • доступной ценой;
  • простотой монтажа.

Для достижения таких преимуществ от использования необходимо верно определить несущую способность, то есть выполнить расчет нагрузки, которую может выдержать опора из стальной трубы для навеса, ВЛ, оборудования и т. д.

При расчете учитываются такие параметры, как материал изготовления трубы, его характеристики, а также особенности грунта, в который планируется размещение.

Для определения максимальной нагрузки на опору из металлической трубы круглого или квадратного сечения используются различные методики.

  • Расчетная. Является не очень эффективной.
  • Основанная на пробных статических нагрузках. Требует значительных финансовых и временных затрат.
  • Динамическое испытание. Не отличается достаточной точностью, однако этот способ можно применять непосредственно на объекте.
  • Зондирование. Этот способ комбинирует методы статического и динамического определения. Является самым эффективным.

Подшипниковые нагрузки — 1 канал 5/8

Руководство по расчету нагрузки на балку

Нагрузки

в таблицах нагрузок на балку для канала металлического каркаса UNISTRUT® равны дана как общая равномерная нагрузка (W) в фунтах. Для более привычной формы нагрузки (w) в фунтах на фут или фунтах на дюйм, разделите нагрузку на стол на охватывать.

Нагрузки под заголовками столбцов «Пролет / 180», «Пролет / 240» и «Пролет / 360 ”предусмотрены для установок, в которых прогиб (провисание) нагруженного Канал UNISTRUT® должен быть ограничен.Эти соотношения стандартные инженерной практики и, если применимо, обычно даются Специалист по записи или спецификации проекта. Фактическое отклонение от эти предустановленные отношения равны диапазону (дюймы или футы), разделенному на число 180, 240 или 360. При проектировании одного из этих пределов отклонения допустимая равномерная нагрузка обычно меньше значений в столбце заголовок «Максимально допустимая равномерная нагрузка». Для получения дополнительной информации или помощь по этому вопросу, свяжитесь с нами.

Все 5 примечаний под таблицами нагрузок на балки должны быть соблюдены для получения окончательного полезная нагрузка на канал.Несоблюдение этого правила приводит к неправильной работе нагрузка. Эти примечания требуют корректировки максимально допустимой униформы. Нагрузка для:

  • Пробитый канал (если применимо)
  • Свободная длина
  • Масса канала
  • Точечная нагрузка на промежуточный пролет (если применимо)

Используйте следующие 5 шагов, чтобы точно определить допустимую рабочую нагрузку канала UNISTRUT®. o

  • Шаг № 1: Определите максимально допустимую равномерную нагрузку от Таблица нагрузок
  • Шаг № 2: Умножьте на применимый коэффициент пробитого отверстия (при использовании таблицы нагрузок на балку для сплошного канала)
    • 0.95 для «КО»
    • 0,90 для HS и h4
    • 0,85 для «T», «SL» и «WT»
    • 0,70 для «DS»
  • Шаг 3: Умножение на коэффициент свободной длины
  • Шаг 4: Вычесть вес канала
  • Шаг 5: Умножить на 50% для загрузки Midpsan ( если Применимо)

Результатом после шага 4 является допустимая общая равномерная нагрузка в фунтах. В Результатом после шага 5 является допустимая точечная нагрузка на середину пролета.

форм балки (или профиля балки) в проектах «сделай сам» — что мне использовать?

Независимо от того, являетесь ли вы опытным строителем своими руками или новичком в компании, формы балок часто вызывают затруднения. Что ж, мне нужно это сделать, но у меня есть только такой материал. Я просто воспользуюсь этим, потому что он у меня есть. Подобные решения происходят постоянно в моем магазине. Как насчет твоего?

Вообще-то, отличная идея! — Пожалуйста, уделите минуту и ​​поделитесь в комментариях. — Расскажите, пожалуйста, о глупом предмете, который вы построили из явно неподходящего материала.

Хорошо, вернемся к обсуждению форм балок.

Важность форм балок

Выбор правильной формы балки (также известной как сечение, профиль или тип балки) очень важен для каждой цели. Каждая форма луча имеет разные характеристики и, вероятно, несколько разных размеров. Существует много различных стандартных типов балок, и на самом деле их неограниченное количество, если мы включаем сборные балки +1. Для начала давайте рассмотрим некоторые формы балок, которые обычно используются в проектах «сделай сам».

На этой диаграмме есть несколько стандартных профилей балок с рейтингом для каждого свойства в первом столбце. Для вашего удобства представьте таблицу в следующих терминах:
— Мы используем звезды для общих оценок. Больше звезд — сильнее, проще или надежнее.
— Звезды сравнительные, поэтому одна звезда не означает, что это плохо.
— Чем меньше звездочек, тем хуже для этого объекта размещения по сравнению с другими.
Наведите указатель мыши на над звездами (и «Профилями»), чтобы получить информацию о категориях и рейтингах.

Опять же, наведите указатель мыши на звезды, чтобы прочитать наши мысли по их ранжированию. * Обсуждение прямоугольной трубы включает квадратную трубу.

О таблице Stars

Оценки для каждой формы луча (или профиля луча) основаны на личном опыте. Я принимаю вариант звездочки или около того в любом из столбцов, так как это довольно сложно определить. Существуют некоторые различия, если рассматривать вертикальный луч и горизонтальный луч. Некоторые предметы, такие как коррозия (ржавчина), неприменимы, когда разговор переходит от стали к алюминию.Я также понимаю, что существует множество других форм балок, которые можно изготовить. Невозможно поместить все варианты в список.

Давайте подробнее рассмотрим некоторые профили балок, применяемые в проектах «сделай сам».

Каждый профиль балки действительно хорош в чем-то

Прямоугольная труба

. . . (включая квадратную трубу), вероятно, самый распространенный материал для проектов DIY. Например, он подходит для небольших прицепов. Это понятно, потому что с ним хорошо работает почти все, и особенно потому, что с ним легко работать.Кроме того, легко получить тонны разных размеров и толщины. Эти формы пучка являются наиболее сильными в направлении высоты, но, конечно, не слабыми в направлении ширины. Трубки также хорошо справляются с крутящим моментом. Покрасить выпуклую форму легко, и вам не нужно беспокоиться о расстоянии между внутренними фланцами.

Недостатки : у Tube есть 2 потенциальных недостатка. . . . 1) Изнутри нельзя красить очень хорошо, поэтому необходимо заклеить для защиты от коррозии. Обычно это легко, если только вы не планируете прокладывать провода или другие предметы через очень красивый и защищенный центральный проход.2) В зависимости от толщины стенки, если вы поместите болты в трубку, а затем затянете их, вы можете сжать трубку. Болты тоже длиннее. Обратите внимание, что размещение отверстий в трубке возвращается к # 1, герметизация. Кроме того, отверстия в трубе в неправильных местах (обычно сверху и снизу для прицепа) ослабят балку.

Приложения: Планы проектов «сделай сам» здесь, в Mechanical Elements, используют много прямоугольных и квадратных балок.

Труба круглая

. . . во многом похож на прямоугольную или квадратную трубу по преимуществам, и этот профиль луча превосходит по крутящему моменту на вес.У него также есть приятное преимущество в том, что к нему можно привязаться.

Недостатки : Опять же, круглая труба имеет те же недостатки, что и выше, но с явным дополнительным недостатком, заключающимся в том, что сложнее выровнять и центрировать отверстия параллельно просто потому, что у нее нет плоской стороны для ссылки. (Это не значит, что это невозможно, просто требуется немного больше усилий.) Кроме того, круглую трубу сложнее изготовить, потому что вы должны сформировать концы тройника в другие круглые трубы.

Области применения: Профили круглых балок используются во многих проектах DIY, особенно для соединений и прокладок.Они также появляются для вещей, которые нужно держать (рукой) или повязать.

C-канал

. . . действительно популярный профиль балки для вспомогательных балок. Хотя мы также видим это для главных балок, это гораздо чаще встречается для поперечных балок и других мест. В вертикальном направлении (как показано на изображении диаграммы профиля пучка выше) C-образный канал обычно более прочен для веса, чем труба. Это делает его привлекательным, но его не так много разных размеров, толщины или разновидностей. Наконец, открытая секция означает, что вы можете легко закончить все заново.

Недостатки : C-образный канал смещен в одну сторону, поэтому при высоких нагрузках он может немного скручиваться или изгибаться вбок. C-Channel не лучший вариант для длинных отрезков без опоры, но он отлично подходит для кросс-элементов и других задач. Это хорошо для главных балок, если поперечные балки подключаются так, что это не длинный пролет без опоры. Хотя он полностью отделан, чтобы избежать коррозии, вогнутая часть иногда затрудняет сглаживание и отделку внутренних поверхностей. Наконец, при прикручивании к фланцам изогнутая часть немного усложняет затяжку.(Для этого доступны угловые шайбы.)

Применения: Во многих планах прицепов Mechanical Elements используется C-образный канал — особенно для передних и задних элементов рамы. Это также есть в планах кранов для поперечной балки опоры пьедестала.

Угол L

. . . Также называется «угловой утюг», но в большинстве случаев это сталь или алюминий, а не «железо», как следует из названия. Это универсальный профиль балки для множества различных работ. Как и C-образный канал, он не очень хорош для длинных пролётов без опоры, но отлично подходит для таких вещей, как поперечины и рельсы, потому что его легко прикрутить болтами и легко соединить (сварить или и то, и другое) с другими элементами.Также легко защитить от непогоды. Возможно, наиболее важно то, что Angle часто сочетается с другими материалами для конкретной работы — например, с этим. Уголок бывает десятков размеров и конфигураций (ножки одинаковой длины или ножки разной длины).

Недостатки : При использовании угла для вспомогательных балок он отлично справляется со многими задачами. Это не самая сильная секция в любом направлении, поэтому используйте ее для подтяжек и там, где вам нужно прикрепить какие-либо предметы.

Приложения: Слишком много вариантов для перечисления.Угол так или иначе присутствует в большинстве наших планов изготовления металла. Это одна из самых универсальных форм балок.

Двутавр

. . . является типичным профилем пучка. Конструкция очень прочная в вертикальном направлении, но при этом имеет равномерный и равномерный отклик на другие силы. Он имеет наилучшее соотношение прочности и веса (по вертикали), что делает его отличным профилем балки для самостоятельного изготовления — для кранов и для основных балок больших и / или длинных прицепов. Кроме того, открытая секция позволяет легко защитить.

Недостатки : Классические формы двутавровых балок имеют угловые фланцы, которые вызывают некоторые проблемы при болтовом соединении. (Не в случае с неклассическими балочными профилями.) Кроме того, не так много размеров (по сравнению с прямоугольной трубой). Тем не менее, существуют варианты классической двутавровой балки, такие как W-образные и H-образные профили, показанные ниже. Существуют и другие, особенно если вы посмотрите на профили для алюминия и других материалов. Наконец, двутавровые балки не очень хорошо справляются с крутящим моментом.

Применения: Как и вышеупомянутые преимущества, двутавровые балки хорошо подходят для более длинных балок с более высокой нагрузкой.Такие вещи, как верхние балки крана, и такие вещи, как длинные прицепы с проблемами жесткости и / или прочности. H-образные балки часто используются для вертикальных колонн.

Сплошные профили

. . . представлены выше плоской ложей, но эта категория охватывает все варианты высоты и толщины. Сплошные секции включают такие вещи, как листовой металл и толстые квадратные прутки, поэтому их сложно разделить на категории. Сплошные балки легко прикручиваются болтами, и их легко использовать для коротких соединительных деталей, таких как косынки.Плоские и перпендикулярные стороны также упрощают сверление (по крайней мере, в одном направлении). Этот профиль балки очень универсален, особенно когда мы добавляем все готовые и изогнутые формы балок.

Недостатки : Эти материалы обычно довольно прочные в одном направлении, но (в зависимости от толщины) хрупкие в другом. Они плохо переносят длинные пролеты без опоры.

Применения: Часто используется в качестве косынок и соединителей, а также для усиливающих элементов внахлест.Также для прокладок или стопок толщины. Плоские цельные секции часто изгибаются, чтобы обеспечить дополнительную функцию или места для крепления болтами. Вот пример того, как сгибать металл достаточно точно.

Изготовленные балки

Существует бесконечное количество различных способов изготовления балки. Небо действительно предел. Хотя во многих проектах DIY, таких как прицепы, используются балки стандартной формы, иногда сборные балки удовлетворяют особые потребности. В основном сборные балки изготавливаются из стандартных форм, но когда они собраны, они сами по себе.Иногда мы изготавливаем балки для решения проблем с пространством или для особых проблем с прочностью или жесткостью. Однако самая большая потребность — добиться прочности и жесткости при меньшем общем весе. Вот пример.

Недостатки : Большая потеря при изготовлении балок — это время и усилия на их установку и изготовление. Часто они требуют много резки, сварки и измерения. Иногда специальные приспособления или приспособления. Однако, если они заставят вас задуматься, то объем работы станет меньшей проблемой.

Заявки: По разным причинам. Небо это предел.

Примечание. Готовые профили балок — это именно то, что вы получаете, добавляя материал для усиления рамы прицепа. Или при сварке дополнительных секций для удлинения рамы.

Выбор оптимальной формы балки Профиль

Балки бывают разных типов, потому что они нужны нам по многим причинам. В таблице выше мы упомянули несколько характеристик, которые являются общими для определенных форм балок в контексте проектов DIY, и особенно прицепов.Другими словами, разные области проекта нуждаются в разных вещах, поэтому мы выбираем профиль балки для этих нужд.

Подумайте, зачем здесь каждая балка. Есть ли изгибающие нагрузки? Или скручивающие нагрузки? Или нагрузки параллельно оси? А как насчет простоты сборки с помощью сварки или болтов, или того и другого? Имеет значение финиш или не имеет значения? Есть ли детали, требующие изогнутой формы? (Не многие из вышеперечисленных форм могут хорошо формироваться даже в прессе.)

Вышесказанное обычно применимо к большинству проектов DIY, в которых для обеспечения целостности конструкции используется сталь или алюминий.Конечно, к этому подходят краны, прессы и другие инструменты. Следующим шагом является применение вышеуказанной информации к определенным областям рамы прицепа.

Сообщите нам, поможет ли эта информация при планировании следующего проекта «Сделай сам».

Калькулятор прочности на напряжение прямоугольных стальных труб

Калькулятор прочности на напряжение прямоугольных стальных труб для расчета нормального напряжения, напряжения сдвига и напряжения Фон Мизеса в критических точках заданного сечения прямоугольного полого конструктивного сечения.

Поперечная нагрузка на полую конструкцию может привести к нормальным и касательным напряжениям. одновременно на любом поперечном сечении HSS. Нормальное напряжение на данном поперечном сечении изменяется относительно расстояние y от нейтральной оси, и оно наибольшее в самой дальней точке от нервная ось. Нормальное напряжение также зависит от изгибающего момента в сечение и максимальное значение нормального напряжения в пустотелом конструктивном сечении возникает там, где изгибающий момент наибольший.Максимальное напряжение сдвига возникает на нейтральной оси секции HSS, где сила сдвига максимальна.

Примечание. Для получения дополнительной информации о см. разделы «Напряжения сдвига в тонкостенных элементах» и «Расчет балок и валов на прочность »главы механики материалов .

Примечание: V и M — поперечная сила и изгибающий момент в сечении, как показано на фигура. Посетить » Расчет прогиба и напряжений несущей балки «.для расчета поперечной силы и изгибающего момента.

Примечание. Предполагается, что на несущую балку действует вертикальная сила сдвига в вертикальной плоскости симметрии.



РЕЗУЛЬТАТЫ
Параметр Значение
Площадь поперечного сечения [A] мм ^ 2 см ^ 2 дюйма ^ 2 фута ^ 2
Первый момент площади для секции A [Q A ] мм ^ 3 см ^ 3 дюйма ^ 3 фута ^ 3
Первый момент площади для секции B [Q B ]
Первый момент площади для секции D [Q D ]
Второй момент площади [I zz ] мм ^ 4 см ^ 4 дюйма ^ 4 фута ^ 4
Расчет напряжений на участке A МПапсикси
Нормальное напряжение [σ x_A ]
Напряжение сдвига [τ xy_A ]
Напряжение фон Мизеса при A [σ v_A ]
Расчет напряжений на участке B
Нормальное напряжение при B [σ x_B ]
Напряжение сдвига при B [τ xy_B ]
Напряжение фон Мизеса при B [σ v_B ]
Расчет напряжений на участке D
Нормальное напряжение при D [σ x_D ]
Напряжение сдвига при D [τ xy_D ]
Напряжение фон Мизеса при D [σ v_D ]

Примечание: используйте точку «.»как десятичный разделитель.

Примечание. Напряжения — это положительные числа, и это величины напряжений в луч. Он не делает различий между растяжением и сжатием конструкции. луч.

Примечание. Эффекты концентраций напряжений не учитываются в расчетах.

Нормальное напряжение: Напряжение действует перпендикулярно поверхности (поперечному сечению).

Второй момент области: способность поперечного сечения противостоять изгибу.

Напряжение сдвига: Форма напряжения, действующая параллельно поверхности (поперечному сечению), имеет режущий характер.

Напряжение: Среднее усилие на единицу площади, которое приводит к деформации материала.

MULTIPROP Алюминиевые стойки для перекрытий

Обзор

MULTIPROP Post Shores используются как отдельные опоры и — в сочетании с рамами MULTIPROP — как опорные башни или опорные башни под столами.По сравнению с стойками из трубчатой ​​стали для перекрытий алюминиевая стойка MULTIPROP меньше весит и выдерживает значительно более высокие нагрузки, в то же время имея очень низкий собственный вес. Опорные башни квадратной или прямоугольной формы с различными размерами рамы могут быть оптимально адаптированы к индивидуальным условиям строительной площадки. Рамы также служат балками платформы и боковой защитой рабочих уровней.

Высокая несущая способность
Меньшее количество отдельных стоек на м² за счет допустимых нагрузок на опоры до 100 кН (согласно типовым испытаниям)

Хорошо продуманные детали
С самоочищающейся резьбой, современной регулировочной гайкой и возможностью плавной регулировки

Регулировка длины для экономии времени
Встроенная измерительная лента на внутренней трубе показывает полную длину стойки

Практичное клиновое соединение
Многофункциональная рама MRK без трудоемких болтовых соединений


Технические характеристики

  • Стойки для перекрытий из алюминия с порошковым покрытием для передачи вертикальных нагрузок, особенно под опалубкой перекрытий; как опорная башня с рамами для переноса вертикальных нагрузок на большую высоту
  • Нагрузки на опоры до 100 кН согласно типовым испытаниям
  • Макс.Высота после типовых испытаний (опорная башня с рамами MRK): 14,40 м или 14,90 м (с опорной плитой MP 50)
  • Строительные власти утверждены
  • Длина стоек: до 1,20 м | 2,50 м | 3,50 м | 4.80 м | 6,25 м
  • Стальные рамки MRK доступны в следующих размерах: 62,5 см | 75 см | 90 см | 120 см | 137,5 см | 150 см
  • Алюминиевые рамки MRK доступны в следующих размерах: 201,5 см | 225 см | 230 см | 237 см | 266 см | 296 см
  • Непрерывная резьба для бесступенчатой ​​регулировки высоты стойки без привязки
  • Диапазон регулировки до 2.20 м (MP 480)
  • Обеспечивает регулировку на 36 мм при каждом повороте гайки
  • Фиксирующий крючок предотвращает выскальзывание внутренней трубки

Опора стойки

Стойки для алюминиевых плит — малый вес с высокой грузоподъемностью
Стойки для перекрытий

MULTIPROP изготовлены из алюминия, поэтому они очень легкие, например MP 350 весит всего 19,40 кг. С длиной удлинения от 1,95 до 3.50 м Можно покрыть 90% стандартных операций в строительстве. Гениально продуманные детали обеспечивают долгий срок службы.

Продуманный профиль из алюминиевого сплава упруго поглощает удары, например когда опора падает. Выбор материала и дизайн идеально сочетаются. Нить MULTIPROP самоочищается, а свободный ходовой фланец не заедает, даже если он загрязнен.

Стойки для перекрытий MULTIPROP MP 250, 350, 480 и 625 официально одобрены Немецким институтом строительной техники в Берлине (No.Z-8.312-824) и соответствует стандарту DIN EN16031.

Технические характеристики
Длина Вес Максимальная грузоподъемность
MP 120 (0,80 — 1,20 м) 10,20 кг 102 кН
MP 250 (1,45 — 2,50 м) 15,40 кг 99.3 кН
MP 350 (1,95 — 3,50 м) 19,40 кг 96,0 кН
MP 480 (2,60 — 4,80 м) 24.80 кг 94,0 кН
MP 625 (4,30 — 6,25 м) 34,60 кг 57,9 кН


Дополнительные технические данные

  • Встроенная рулетка
  • Непрерывный, самоочищающийся, четверная резьба
  • Гайка с 4 прочными кулачками опускания
  • Возможность использования рулевой тяги
  • Наружная трубка с порошковым покрытием ECC
  • Профиль прочный и эластичный = очень прочный
  • Устройство защиты от защемления, интегрированное в систему
  • Широкий выбор аксессуаров: Соединитель стойки; рама МРК; наклонная вилка MKK и наклонная основа MKF

Система

Эффективно под столами или в качестве опорной башни

Соединенные с рамами MRK стойки для перекрытий MULTIPROP используются под столами или как опорные башни.Нагрузки на опоры до 100 кН позволяют эффективно переносить нагрузки. Рамы MULTIPROP обеспечивают оптимальную настройку на строительной площадке (независимо от того, квадратная или прямоугольная монтажная сетка). Рама MULTIPROP может использоваться как балка платформы и боковая защита при сборке рабочих подмостей.

Профиль MULTIPROP позволяет быстро и легко собирать рамы. Одна и та же рама может быть соединена как с внешней, так и с внутренней трубой без изменения расстояния между стойками (системного расстояния).Клин просто забивается до упора в муфту рамы. Специальных инструментов не требуется. Башни можно предварительно собрать прямо на земле

Технические детали
  • Высокая несущая способность до 100 кН и небольшой вес всех компонентов
  • Рамы PERI MULTIPROP можно устанавливать как на внешнюю, так и на внутреннюю трубу
  • Встроенная рулетка
  • Рама MULTIPROP может использоваться как балка платформы
  • Оптимальная адаптация к зданию: высокая степень использования нагрузки за счет различных размеров рамы (12 типоразмеров)
  • Типоразмеры: MRK 62.5/75/90/120 / 137,5 / 150 (сталь) MRK 201,5 / 225/230/237/266/296 (алюминий)
  • Вес: MP 350 = 19,40 кг Рама = макс. 14,80 кг
  • 75 схем типовых испытаний
  • Шпиндель / гибкость опускания: опускание MP 350 = 155 см опускание MP 480 = 220 см
  • Специальные аксессуары: Рамы (высота 50 см), подходящие для опор и ограждений. Палубы 150 х 60 и 225 х 60 с люком и без него.

Прочность обсадных труб и насосно-компрессорных труб

Наиболее важными механическими свойствами обсадных труб и насосно-компрессорных труб являются прочность на разрыв, сопротивление разрушению и прочность на разрыв.Эти свойства необходимы для определения прочности трубы и проектирования обсадной колонны.

Минимальное внутреннее давление текучести (MIYP)

Если обсадная труба подвергается внутреннему давлению выше, чем внешнее, считается, что обсадная колонна подвергается нагрузке разрывным давлением. Условия нагружения разрывным давлением возникают во время операций по управлению скважиной, испытаний на целостность обсадных колонн, насосных и производственных операций. MIYP тела трубы определяется по формуле внутреннего давления текучести, приведенной в API Bull.5C3, Формулы и расчеты для свойств обсадных труб, насосно-компрессорных труб, бурильных и линейных труб . [1]

……………….. (1)

где

P B = минимальное давление разрыва, psi,

Y p = минимальный предел текучести, psi,

t = номинальная толщина стенки, дюймы,

и

D = номинальный внешний диаметр трубы, дюйм.

Это уравнение, широко известное как уравнение Барлоу, вычисляет внутреннее давление, при котором касательное (или кольцевое) напряжение на внутренней стенке трубы достигает предела текучести (YS) материала. Выражение можно получить из уравнения Ламе для касательного напряжения, сделав предположение о тонких стенках, что D / t >> 1. Большинство обсадных труб, используемых на месторождении, имеют отношение D / т от 10 до 35. Коэффициент 0,875, фигурирующий в уравнении, представляет собой допустимый производственный допуск –12.5% от толщины стенки, указанной в API Bull. 5C2, Эксплуатационные характеристики обсадных труб, насосно-компрессорных труб и бурильных труб . [2] Давление в MIYP не означает, что труба будет иметь разрыв или разрыв, который происходит только тогда, когда касательное напряжение превышает предел прочности на разрыв (UTS). Таким образом, использование критерия предела текучести в качестве меры сопротивления трубы внутреннему давлению по своей природе консервативно. Это особенно верно для материалов более низкого качества, таких как H-40, K-55 и N-80, отношение UTS / YS которых значительно выше, чем у материалов более высокого качества, таких как P-110 и Q-125.Влияние осевой нагрузки на сопротивление внутреннему давлению обсуждается позже.

Прочность разрушения

Если внешнее давление превышает внутреннее давление, обсадная труба разрушается. Такие условия могут существовать во время операций по цементированию, расширения захваченной жидкости или вакуумирования скважины. Прочность на сжатие в первую очередь зависит от предела текучести материала и его коэффициента гибкости, D / t . Критерии прочности на обрушение, приведенные в API Bull.5C3, Формулы и расчеты для свойств обсадных, насосно-компрессорных, бурильных и линейных труб. , [1] состоит из четырех режимов обрушения, определяемых пределом текучести, и D / t . Далее обсуждается каждый критерий в порядке увеличения D / t .

Снижение предела текучести

Предел текучести схлопывания основан на текучести на внутренней стенке с использованием эластичного раствора для толстых стенок Ламе. Этот критерий вовсе не представляет собой давление «коллапса».Для толстостенных труб ( D / т < 15 ±), касательное напряжение превышает предел текучести материала до того, как произойдет разрушение из-за коллапс-неустойчивости. .................... (2) Номинальные размеры используются в уравнениях коллапса. Применимые соотношения D / т для разрушения предела текучести показаны в Таблице 1 .

  • Таблица 1 — Диапазон формулы давления обрушения текучести

Коллапс пластиковый

Пластическое разрушение основано на эмпирических данных 2488 испытаний бесшовных обсадных труб К-55, Н-80 и П-110.Не было получено аналитического выражения, которое точно моделирует поведение коллапса в этом режиме. Регрессионный анализ дает 95% -ный уровень уверенности в том, что 99,5% всех труб, изготовленных в соответствии со спецификациями Американского института нефти (API), выйдут из строя при давлении схлопывания, превышающем давление пластического схлопывания. Минимальное давление схлопывания для пластического диапазона схлопывания рассчитывается по формуле Eq. 3 .

……………….. (3)

Коэффициенты A, B и C и применимый диапазон D / t для формулы пластического разрушения показаны в таблице 2 .

  • Таблица 2 — Формульные коэффициенты и диапазоны D / t для пластического обрушения

Переходный коллапс

Переходный коллапс получается путем численного подбора кривой между пластическим и упругим режимами. Минимальное давление схлопывания для переходной зоны от пластика к упругости, P T , рассчитывается по формуле Eq. 4 .

……………….. (4)

Коэффициенты F и G и применимый диапазон D / t для формулы переходного давления схлопывания показаны в таблице 3 .

  • Таблица 3 — Формульные факторы и диапазон D / t для переходного коллапса

Упругое разрушение

Elastic Collapse основан на теоретическом разрушении из-за упругой неустойчивости; этот критерий не зависит от предела текучести и применим к тонкостенным трубам ( D / т >

25 ±). Минимальное давление схлопывания для упругого диапазона схлопывания рассчитывается по формуле Eq. 5 . ……………….. (5) Применимый диапазон D / t для упругого сжатия показан в Таблице 4 .

  • Таблица 4 — Диапазон D / t для упругого обрушения

Большинство нефтепромысловых труб испытывают обрушение в «пластическом» и «переходном» режимах. Многие производители продают обсадные трубы с «сильным разрушением», которые, по их утверждению, обладают характеристиками, превышающими номинальные характеристики, рассчитанные по формулам API Bull.5C3, Формулы и расчеты для свойств обсадных, насосно-компрессорных, бурильных и линейных труб . [1] Эта улучшенная производительность достигается главным образом за счет использования передовых производственных технологий и более строгих программ обеспечения качества для уменьшения овальности, остаточного напряжения и эксцентриситета. Изначально обсадная колонна с высоким обрушением была разработана для использования на более глубоких участках скважин с высоким давлением. Использование обсадных труб с высокой степенью сжатия получило широкое признание в отрасли, но их использование остается спорным среди некоторых операторов.К сожалению, все производители ’ претензии не были подтверждены соответствующим уровнем квалификационного тестирования. Если при проектировании считается необходимым обсадная труба с высокой степенью сжатия, необходимо получить соответствующую консультацию специалиста для оценки производителя. s данные квалификационных испытаний, такие как отношение длины к диаметру, условия испытаний (конечные ограничения) и количество выполненных испытаний.

Эквивалентное внутреннее давление

Если труба подвергается как внешнему, так и внутреннему давлению, эквивалентное внешнее давление рассчитывается как

……………….. (6)

где

p e = эквивалентное внешнее давление,

p o = внешнее давление,

p i = внутреннее давление,

и

Δ p = p o p i .

Чтобы обеспечить более интуитивное понимание смысла этой связи, Eq.6 можно переписать как

……………….. (7)

где

D = номинальный наружный диаметр,

и

d = номинальный внутренний диаметр.

В Ур. 7 , мы можем видеть внутреннее давление, приложенное к внутреннему диаметру, и внешнее давление, приложенное к внешнему диаметру. «Эквивалентное» давление, приложенное к внешнему диаметру, является разностью этих двух терминов.

Осевая прочность

Осевая прочность тела трубы определяется по формуле предела текучести тела трубы, приведенной в API Bull.5C3, Формулы и расчеты для свойств обсадных, насосно-компрессорных, бурильных и линейных труб . [1]

……………….. (8)

где

F y = осевая прочность тела трубы (единицы силы),

Y p = минимальный предел текучести,

D = номинальный наружный диаметр,

и

d = номинальный внутренний диаметр.

Осевая прочность — это произведение площади поперечного сечения (исходя из номинальных размеров) и предела текучести.

Комбинированные стрессовые воздействия

Все приведенные ранее уравнения прочности трубы основаны на одноосном напряженном состоянии (т.е. состоянии, в котором только одно из трех главных напряжений не равно нулю). Эта идеализированная ситуация никогда не встречается в нефтяных месторождениях, потому что труба в стволе скважины всегда подвергается комбинированным условиям нагрузки. Фундаментальная основа конструкции обсадных труб заключается в том, что если напряжения в стенке трубы превышают предел текучести материала, возникает условие разрушения.Следовательно, предел текучести является мерой максимально допустимого напряжения. Чтобы оценить прочность трубы в условиях комбинированного нагружения, предел одноосной текучести сравнивают с условием текучести. Возможно, наиболее широко принятый критерий текучести основан на теории максимальной энергии искажения, которая известна как условие текучести Хубера-Хенки-Мизеса или просто напряжение фон Мизеса, трехосное напряжение или эквивалентное напряжение. [3] Трехосное напряжение (эквивалентное напряжение) не является истинным напряжением.Это теоретическое значение, которое позволяет сравнить обобщенное трехмерное (3D) напряженное состояние с критерием одноосного разрушения (предел текучести). Другими словами, если трехосное напряжение превышает предел текучести, указывается нарушение текучести. Трехосный коэффициент безопасности — это отношение предела текучести материала к трехосному напряжению. Критерий текучести определяется как ……………….. (9) где

Y p = минимальный предел текучести, psi,

σ VME = трехосное напряжение, фунт / кв. Дюйм,

σ z = осевое напряжение, psi,

σ ϴ = касательное или кольцевое напряжение, фунт / кв. Дюйм,

и

σ r = радиальное напряжение, фунт / кв.

Расчетное осевое напряжение σ z в любой точке площади поперечного сечения должно включать в себя эффекты:

  • Собственный вес
  • Плавучесть
  • Нагрузки от давления
  • Гибка
  • Ударные нагрузки
  • Сопротивление трения
  • Точечные нагрузки
  • Температурные нагрузки
  • Изгибающие нагрузки

За исключением изгибающих / изгибающих нагрузок, осевые нагрузки обычно считаются постоянными по всей площади поперечного сечения.

Касательные и радиальные напряжения рассчитываются с помощью уравнений Ламе для толстостенных цилиндров.

……………….. (10)

и

……………….. (11)

где

p i = внутреннее давление,

p o = внешнее давление,

r i = внутренний радиус стенки,

r o = радиус внешней стенки,

и

r = радиус, на котором возникает напряжение.

Абсолютное значение σ ϴ всегда наибольшее на внутренней стенке трубы и для нагрузок на разрыв и обрушение, где | p i p o | >> 0, то | σ ϴ | >> | σ r | . Для любой комбинации p i и p o сумма касательных и радиальных напряжений постоянна во всех точках стенки обсадной колонны.Подставляя Ур. 10 и Ур. 11 в Ур. 9, после перестановок дает ……………….. (12) в котором и

где

D = наружный диаметр трубы,

и

t = толщина стенки.

Ур. 12 вычисляет эквивалентное напряжение в любой точке тела трубы для любой заданной геометрии трубы и условий нагрузки. Чтобы проиллюстрировать эти концепции, давайте рассмотрим несколько частных случаев.

Комбинированное разрушение и растяжение

Предполагая, что σ z > 0 и σ ϴ >> σ r и установка трехосного напряжения равным пределу текучести приводит к следующему уравнению эллипса. ……………….. (13) Это двухосный критерий, используемый в API Bull. 5C3, Формулы и расчеты для свойств обсадных труб, насосно-компрессорных труб, бурильных и линейных труб , [1] для учета влияния растяжения на обрушение………………… (14) куда

S a = осевое напряжение в зависимости от выталкивающего веса трубы,

и

Y p = предел текучести.

Отчетливо видно, что по мере увеличения осевого напряжения S a сопротивление разрушению трубы уменьшается. Построение этого эллипса Рис. 1 позволяет напрямую сравнить трехосный критерий с рейтингами API. Нагрузки, попадающие в проектный диапазон, соответствуют проектным критериям.Изогнутый нижний правый угол вызван комбинированными эффектами напряжения, как описано в Eq. 14 .

  • Рис. 1 — Критерии отказа обсадной колонны.

Комбинированная нагрузка на разрыв и сжатие

Комбинированная пакетная и компрессионная нагрузка соответствует верхнему левому квадранту проектной оболочки. Это область, где трехосный анализ наиболее важен, поскольку использование одного только одноосного критерия не может предсказать несколько возможных отказов.Для высоких разрывных нагрузок (т. Е. Высокого касательного напряжения и умеренного сжатия) разрывное разрушение может произойти при перепаде давления, меньшем, чем разрывное давление по API. При высоком сжатии и умеренных разрывных нагрузках режимом разрушения является постоянное навинчивание (т. Е. Пластическая деформация из-за винтовой потери устойчивости). Эта комбинированная нагрузка обычно возникает при высоком внутреннем давлении (из-за утечки в насосно-компрессорных трубах или повышения давления в кольцевом пространстве) после повышения температуры обсадной колонны из-за добычи.Повышение температуры в несцементированной части обсадной колонны вызывает тепловое расширение, что может привести к значительному увеличению сжатия и коробления. Увеличение внутреннего давления также приводит к увеличению потери устойчивости.

Комбинированная нагрузка разрывом и растяжением

Комбинированная нагрузка на разрыв и растяжение соответствует верхнему правому квадранту проектной оболочки. Это та область, где использование только одноосного критерия может привести к созданию более консервативного, чем необходимо, дизайна.При высоких нагрузках на разрыв и умеренном растяжении нарушение текучести при разрыве не произойдет до тех пор, пока не будет превышено давление разрыва по API. Когда напряжение приближается к осевому пределу, разрывное разрушение может произойти при перепаде давления, меньшем, чем значение API. При высоком растяжении и умеренных разрывных нагрузках текучесть тела трубы не будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение, превышающее одноосное номинальное значение.

Использование преимущества увеличения сопротивления разрыву при наличии напряжения представляет собой хорошую возможность для инженера-проектировщика сэкономить деньги при сохранении целостности ствола скважины.Точно так же проектировщик может пожелать разрешить нагрузки между номинальными значениями одноосного и трехосного растяжения. Однако в последнем случае следует проявлять особую осторожность из-за неопределенности того, какое давление разрыва может наблюдаться в сочетании с высокой растягивающей нагрузкой (исключением является случай испытательной нагрузки давления сырого цемента). Кроме того, рейтинги подключения могут ограничивать ваши возможности для проектирования в этом регионе.

Использование трехосного критерия нагрузки на обрушение

Для многих труб, используемых в нефтяном месторождении, обрушение — это нарушение неупругой устойчивости или нарушение упругой устойчивости, не зависящее от предела текучести.Трехосный критерий основан на упругих свойствах и пределе текучести материала и, следовательно, не должен использоваться с нагрузками на обрушение. Единственным исключением являются толстостенные трубы с низким соотношением D / т , которые имеют рейтинг API в области предела текучести при разрушении. Этот критерий обрушения вместе с эффектами растяжения и внутреннего давления (которые являются трехосными эффектами) приводят к тому, что критерий API по существу идентичен трехосному методу в нижнем правом квадранте трехосного эллипса для толстостенных труб.

Для сильного сжатия и умеренных нагрузок на сжатие, испытываемых в нижнем левом квадранте расчетной оболочки, режимом отказа может быть постоянное закручивание из-за винтовой деформации. В этом случае целесообразно использовать трехосный критерий. Такое сочетание нагрузок обычно может происходить только в скважинах, температура которых сильно повышается из-за добычи. Комбинация разрушающей нагрузки, которая вызывает обратное раздувание, и повышение температуры приводит к увеличению сжатия в несцементированной части колонны.

Большинство инженеров-проектировщиков используют минимальную стену для расчетов на разрыв и номинальные размеры для расчетов на обрушение и осевые расчеты. Можно привести аргументы в пользу использования любого допущения в случае трехосного дизайна. Важнее, чем выбор допущений о размерах, является то, что результаты трехосного анализа должны согласовываться с одноосными характеристиками, с которыми их можно сравнивать.

Трехосный анализ, пожалуй, наиболее ценен при оценке импульсных нагрузок.Следовательно, имеет смысл откалибровать трехосный анализ, чтобы он был совместим с одноосным анализом разрыва. Это можно сделать путем соответствующего выбора расчетного фактора. Поскольку трехосный результат номинально сводится к результату одноосного разрыва без приложения осевой нагрузки, результаты обоих этих анализов должны быть эквивалентными. Поскольку рейтинг прочности на разрыв основан на 87,5% номинальной толщины стенки, при трехосном анализе, основанном на номинальных размерах, следует использовать расчетный коэффициент, равный расчетному коэффициенту разрыва, умноженному на 8/7.Это отражает философию, согласно которой следует использовать менее консервативное предположение с более высоким расчетным фактором. Следовательно, для расчетного коэффициента разрыва 1,1 следует использовать расчетный коэффициент для трехосного тракта 1,25.

Окончательный расчет трехосного напряжения

Рис. 2 графически суммирует трехосные, одноосные и двухосные пределы, которые следует использовать при проектировании обсадной колонны, а также набор согласованных проектных факторов.

  • Рис. 2 — Расчетные коэффициенты для критериев разрушения обсадной колонны.

Из-за потенциальных преимуществ (как экономии затрат, так и лучшей механической целостности), которые могут быть реализованы, трехосный анализ рекомендуется для всех конструкций скважин. Конкретные приложения включают:

  • Экономия денег на разрывной конструкции за счет повышенного сопротивления разрыву при растяжении
  • Учет большого температурного воздействия на профиль осевой нагрузки в скважинах с высоким давлением и высокой температурой (это особенно важно при комбинированном нагружении разрывом и сжатием)
  • Точное определение напряжений при использовании толстостенных труб ( D / t <12) (традиционные одноосные и двухосные методы предполагают наличие тонких стенок) предел текучести материала)

Хотя общепризнано, что критерий фон Мизеса является наиболее точным методом представления характеристик упругой текучести, использование этого критерия в трубчатой ​​конструкции должно сопровождаться некоторыми мерами предосторожности.

Во-первых, для большинства труб, используемых в нефтяных месторождениях, обрушение часто является неустойчивым разрушением, которое происходит до того, как вычисленное максимальное трехосное напряжение достигает предела текучести. Следовательно, трехосное напряжение не должно использоваться в качестве критерия обрушения. Только в толстостенных трубах перед обрушением возникает податливость.

Во-вторых, точность трехосного анализа зависит от точного представления условий, которые существуют как для трубы, установленной в скважине, так и для последующих представляющих интерес нагрузок.Часто при анализе напряжения наиболее важным является изменение условий нагрузки. Следовательно, точное знание всех температур и давлений, которые возникают в течение срока службы скважины, может иметь решающее значение для точного трехосного анализа.

Примерные расчеты конструкции

В примерах, которые обсуждаются далее, исследуются критерии взрыва и коллапса. Трехосные напряжения рассчитываются для различных ситуаций нагружения, чтобы продемонстрировать, как на самом деле используются формулы прочности обсадной колонны и формулы нагрузки.

Расчет выборки пакетов с трехосным сравнением

Предположим, что у нас есть промежуточная обсадная колонна N-80 13 3 / 8 дюймов, 72 фунта / фут, установленная на высоте 9000 футов и закрепленная на поверхности. Разрывное дифференциальное давление для этой обсадной колонны определяется по формуле Eq. 1 .

Вариант нагружения, который мы будем проверять, — это случай вытеснения в результате выброса газа с пластовым давлением 6000 фунтов на квадратный дюйм, глубиной пласта на высоте 12000 футов и градиентом газа, равным 0,1 фунтов на квадратный дюйм / фут.

Согласно этому расчету, корпус достаточно прочен, чтобы противостоять этому разрывному давлению. В качестве дополнительной проверки рассчитаем напряжение фон Мизеса, связанное с этим случаем. Поверхностное осевое напряжение — это вес обсадной колонны, деленный на площадь поперечного сечения (20,77 дюйма, 2 ) за вычетом нагрузок от давления при цементировании (предположим, 15 фунтов / галлон цемента).

Радиальные напряжения для внутреннего и внешнего радиусов — это внутреннее и внешнее давления.

Кольцевые напряжения рассчитываются по формуле Ламе ( Ур.10 ).

Эквивалентное напряжение по Мизесу или трехосное напряжение задается как Eq. 9 . Оценка уравнения. 9 на внутреннем радиусе и на внешнем радиусе имеем

и

Максимальное напряжение по Мизесу находится внутри 13 3 / 8 дюймов. обсадная колонна со значением 66% от предела текучести. При расчете разрыва приложенное давление составляло 89% от расчетного давления разрыва. Таким образом, расчет пакета является консервативным по сравнению с расчетом фон Мизеса для этого случая.

Расчет обрушения образца

Для расчета обрушения образца мы проверим сопротивление обрушению хвостовика P-110 размером 7 дюймов, 23 фунта / фут, зацементированных на глубине от 8000 до 12000 футов. Сравнение 7 дюймов. свойства лайнера против различных режимов обрушения, было обнаружено, что переходное схлопывание было предсказано для этого лайнера. Давление обрушения для этого лайнера рассчитывается по формуле Eq. 4 со следующими значениями для F и G , взятыми из Таблица 3 .

Тогда давление схлопывания определяется по формуле

Чтобы оценить обрушение этого лайнера, нам необходимо внутреннее и внешнее давление. Внутреннее давление определяется при полном вакуумировании над пакером.

Внешнее давление основано на полностью цементированной секции за 7-дюймовым. лайнер. Профиль внешнего давления задается профилем внешнего давления смеси раствор / цемент-вода, где предполагается, что хвостовик зацементирован в буровом растворе объемом 10 фунтов / галлон с внутренним градиентом давления смеси-воды 0.45.

Эквивалентное давление рассчитывается из p i и p o для сравнения с давлением разрушения, p c , с использованием Eq. 6 .

Поскольку p e превышает p c (4440 фунтов на кв. Дюйм), ожидается обрушение футеровки. В этом случае нецелесообразно рассчитывать напряжение фон Мизеса для схлопывания, поскольку схлопывание в переходной области не является строго условием пластической текучести.

Номенклатура

A = константа в уравнении пластического коллапса, безразмерная
B = константа в уравнении пластического коллапса, безразмерная
С = константа в уравнении пластического коллапса, фунт / кв. Дюйм
д = номинальный внутренний диаметр трубы, дюйм.
D = номинальный внешний диаметр трубы, дюйм.
Д / т = коэффициент гибкости, безразмерный
f 1 , f 2 , f 3 = термины в комбинированном воздействии напряжения на обрушение, фунт / кв.
Ф. = константа в уравнении коллапса перехода, безразмерная
Ф y = осевая прочность корпуса трубы, фунт-сила
G = константа в уравнении коллапса перехода, безразмерная
G = модуль сдвига, фунт / кв. Дюйм
p e = эквивалентное внешнее давление, фунт / кв. Дюйм
p i = внутреннее давление, фунт / кв. Дюйм
p o = внешнее давление, фунт / кв. Дюйм
P B = минимальное разрывное давление, фунт / кв. Дюйм
P E = давление упругого схлопывания, фунт / кв. Дюйм
P P = давление схлопывания пластика, фунт / кв. Дюйм
P Yp = давление разрушения предела текучести, фунт / кв. Дюйм
P T = переходное давление схлопывания, фунт / кв. Дюйм
r = радиальный кольцевой зазор, дюйм.
r i = внутренний радиус трубы, дюймы
r o = внешний радиус трубы, дюйм.
S a = осевое напряжение в зависимости от плавучего веса трубы, фунт / кв. Дюйм
т = номинальная толщина стенки, дюйм.
Y p = минимальный предел текучести трубы, фунт / кв. Дюйм
Δ п = po — pi, фунт / кв. Дюйм
σ r = радиальное напряжение, фунт / кв. Дюйм
σ VME = трехосное напряжение, фунт / кв. Дюйм
σ z = осевое напряжение, фунт / кв. Дюйм
σ ϴ = касательное или кольцевое напряжение, фунт / кв. Дюйм

Список литературы

  1. 1.0 1,1 1,2 1,3 1,4 API Bull. 5C3, Бюллетень формул и расчетов для свойств обсадных, насосно-компрессорных, бурильных и линейных труб, четвертое издание. 1985. Даллас: API.
  2. ↑ API Bull. 5C2, Бюллетень эксплуатационных характеристик обсадных труб, насосно-компрессорных труб и бурильных труб, восемнадцатое издание. 1982. Даллас: API.
  3. ↑ Crandall, S.H. и Даль, Н.С. 1959. Введение в механику твердого тела. Нью-Йорк: Книжная компания McGraw-Hill.

См. Также

Конструкция корпуса

Изгиб обсадных труб и НКТ

PEH: Конструкция кожуха

Интересные статьи в OnePetro

Внешние линки

Общие ссылки

Адамс, А.Дж. и Ходжсон Т. 1999. Калибровка критериев проектирования обсадных труб / насосно-компрессорных труб с использованием методов обеспечения надежности конструкций. SPE Drill & Compl 14 (1): 21-27. SPE-55041-PA. http://dx.doi.org/10.2118/55041-PA.

Бренд, П.Р., Уитни, У.С., и Льюис, Д. 1995. Примеры расчетов с учетом фактора нагрузки и сопротивления. Представлено на конференции оффшорных технологий, Хьюстон, 1-4 мая. OTC-7937-MS. http://dx.doi.org/10.4043/7937-MS.

Chen, Y.-C., Lin, Y.-H., Cheatham, J.B. 1990. Устойчивость насосно-компрессорных труб и обсадных труб в горизонтальных скважинах (включая сопутствующие документы 21257 и 21308). SPE J. 42 (2): 140-141, 191. SPE-19176-PA. http://dx.doi.org/10.2118/19176-PA.

Доусон Р. 1984.Устойчивость бурильных труб в наклонных скважинах. SPE J. 36 (10): 1734-1738. SPE-11167-PA. http://dx.doi.org/10.2118/11167-PA.

Клементич П.Е., Эрих Ф. 1995. Рациональная характеристика запатентованных марок обсадных труб с высокой степенью обрушения. Представлено на Ежегодной технической конференции и выставке SPE, Даллас, 22-25 октября. SPE-30526-MS. http://dx.doi.org/10.2118/30526-MS.

Руководство для стальных конструкций, расчета факторов нагрузки и сопротивления . 1986 г.Чикаго: Американский институт стальных конструкций.

Миска, С. и Кунья, Дж. С. 1995. Анализ продольного изгиба труб, подвергающихся осевой и крутильной нагрузке в наклонных стволах скважин. Представлено на симпозиуме SPE по производственным операциям, Оклахома-Сити, Оклахома, США, 2–4 апреля. SPE-29460-MS. http://dx.doi.org/10.2118/29460-MS.

Митчелл, Р.Ф. 1999. Анализ потери устойчивости в наклонно-направленных скважинах: практический метод. SPE Drill & Compl 14 (1): 11-20.SPE-55039-PA. http://dx.doi.org/10.2118/55039-PA.

Митчелл, Р.Ф. 1988. Новые концепции потери устойчивости по спирали. SPE Drill Eng 3 (3): 303–310. SPE-15470-PA. http://dx.doi.org/10.2118/15470-PA.

Митчелл, Р.Ф .: «Проектирование обсадных труб», в инженерии бурения, под ред. Р. Ф. Митчелл, т. 2 Справочника по нефтяной инженерии, изд. L. W. Lake. (США: Общество инженеров-нефтяников, 2006 г.). 287-342.

Prentice, C.M. 1970. Конструкция обсадной колонны «максимальная нагрузка». Дж.Pet Tech 22 (7): 805-811. SPE-2560-PA. http://dx.doi.org/10.2118/2560-PA.

Раквиц, Р. и Фисслер, Б. 1978. Структурная надежность при комбинированных процессах случайной нагрузки. Компьютеры и конструкции 9: 489.

Тимошенко, С.П., Гудье, Дж. 1961. Теория упругости , третье издание. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Co.

Категория

Труба риформинга — обзор

1.2 Прогнозирование срока ползучести с помощью параметра Ларсона-Миллера

Выбор материала для труб риформинга требует полного понимания риска вероятных отказов, вызванных трещинами внутри труб во время длительной эксплуатации, т.к. а также во время тепловых циклов, связанных с запланированными этапами пуска и останова электростанций.

После Второй мировой войны исследования материалов в области жаропрочных сталей и сплавов были направлены на изучение свойств ползучести, проведение испытаний и сбор данных государственными учреждениями и в промышленности.

В таблице 4.1 приведены химический состав и относительная прочность жаропрочных сплавов, разработанных за последние 50 лет.

Таблица 4.1. Составы жаропрочных сплавов, разработанные за последние 50 лет

Десятилетие Химический состав (мас.%) Относительная прочность [14]
Cr Ni C Si Si Другой элемент. Fe
1960-е годы 25 20 0,2-0,6 1-2 бал. 1,0
1970-е годы 25 24 0,2-0,6 1-2 бал. 1,4
1980-е годы 23 22 0,2-0,6 1-2 ~ 1 Ti бал. 1.7
1990-е годы 25 35 0,2-0,6 1-2 ~ 1 Ti, Zr, W и Cs бал. 2,2

Для оценки долговременных свойств ползучести с использованием результатов, полученных за короткий период, был разработан ряд температурно-временных параметров. Среди них параметр Ларсона-Миллера (LMP) является наиболее часто используемым во всем мире с середины прошлого века [18].Это средство прогнозирования срока службы материалов с использованием корреляционного подхода, основанного на соотношении Аррениуса для термически активируемых процессов.

Испытания на ползучесть проводятся для оценки времени разрушения, соответствующего экспериментальным значениям температуры и приложенной нагрузки. Приложенные напряжения ползучести ( σ ) нанесены на график в зависимости от значений LMP, выраженных следующим образом:

(4,2) LMP = TC + logt / 1000

T (° K) температура испытания, t ( h) время разрушения, а C — константа материала, равная ~ 20 для ферритных сталей и ~ 15 для аустенитной нержавеющей стали.Для рассматриваемого сплава C = 22,9.

При заданном напряжении значение LMP является постоянным для данного материала. Таким образом, удобно проводить ускоренные испытания на ползучесть при высоких температурах, чтобы иметь короткое время разрушения и рассчитывать соответствующие значения LMP: таким образом можно прогнозировать очень длительное время разрушения в конкретных условиях эксплуатации, которые характеризуются одинаковыми применяемыми параметрами. напряжения и более низкие температуры, чем испытания.

Если войти в диаграмму с заданным уровнем σ , сплавы HP показывают более высокие значения LMP, чем сплав HK-40.

Превосходные характеристики ползучести сплавов HP-40 по сравнению со сплавом HK-40 обеспечивают более длительный срок службы до разрыва при той же температуре эксплуатации и позволяют изготавливать трубы с более тонкими стенками или, альтернативно, меньшее количество труб с большим диаметром и экономить стоимость НКТ и размер печи. Кроме того, стоит отметить, что несколько различающиеся характеристики ползучести двух сплавов HP-40, вероятно, связаны с небольшими различиями в содержании углерода и ниобия, которые имеют процентное соотношение 0,40 и 0.85 соответственно в сплаве Cronite и 0,45 и 1,5 в сплаве G4852 Micro.

Типичные режимы отказа рентгеновской трубки

Типичные режимы выхода из строя рентгеновской трубки
АН-02

Введение

Рентгеновские трубки

— это проверенный и экономичный способ получения рентгеновского излучения, применяемый в медицине, инспекции и науке. За более чем 100 лет рентгеновские трубки достигли прогресса благодаря новым приложениям, материалам, технологическому оборудованию и дизайну. Сегодня преобладают два типа трубок: трубки с вращающимся анодом, используемые в основном для медицинских целей, от 25 киловольт (кВ) до 150 кВ, и трубки со стационарным анодом, используемые в инспекционной отрасли, от 25 кВ до более 400 кВ, некоторые из которых находятся в диапазоне миллионов вольт.Стационарные анодные трубки обычно работают при 1-20 миллиампер в почти непрерывном режиме и могут быть включены в течение многих часов за раз. Трубки с вращающимся анодом работают при токе свыше 1000 миллиампер, но используются в основном в импульсном режиме длительностью от 1 миллисекунды до 10 секунд.

При производстве рентгеновских лучей менее 1% энергии производит полезные рентгеновские лучи, а оставшиеся 99% преобразуются в тепло. Этот фактор ограничивает срок службы рентгеновской трубки. Многие научные дисциплины необходимы и должны контролироваться для производства качественного продукта.К ним относятся: термодинамика, теплопередача, материаловедение, вакуумные технологии, высокое напряжение, электроника, атомные / радиационные дисциплины, производственные процессы и многие менее важные, но важные технологии. Интеграция и управление рентгеновской трубкой и генератором имеют решающее значение для получения ожидаемых технических результатов и длительного срока службы трубки.

1. Нормальное старение

a) Нормальное выгорание нити
b) Ускоренное выгорание нити
c) Медленные утечки
d) Отсутствие активности
e) Трещины на стекле
f) Дуга
g) Микротрещины мишени
h) Случайное повреждение
i) Подшипники

2.Недостатки в производстве

a) Немедленные отказы
i) Исключение тестом
ii) Период удержания
iii) Несоответствующие материалы
iv) Сбои процесса
b) Скрытые отказы
i) Оптимизация процесса
ii) Незначительные / плохо изученные процессы
iii) Анализ отказов / Неустановленные причины

3. Несоответствие приложений

a) Излучение низкое кВ / высокое мА
b) Температура / срок службы

4. Неправильный привод от источника питания

a) Импеданс питания
b) Нить накала постоянного / переменного тока
c) Высокая частота
d) Скорость вращения / Торможение
e) Усилитель накала
f) Логические схемы
g) Настройки предела накала / предварительного нагрева нити

5.Рекомендации по корпусу трубки

a) Утечка в диэлектрике (масло)
b) Перегрев
c) Температура окружающей среды
d) Положение корпуса
e) Подключение кабеля / заземления
f) Требования к диэлектрическому расширению
g) Требования к номинальным характеристикам

1. Нормальное старение.

Рентгеновские трубки

стареют и имеют ограниченный срок службы, поскольку характеристики и используемые материалы начинают постепенно ухудшаться и расходуются, так что производительность постепенно снижается до тех пор, пока они не перестанут работать удовлетворительно.

а. Нормальное выгорание нити накала: Электронный луч в рентгеновской трубке подается с помощью вольфрамовой нити, которая использовалась с момента появления электронных ламп, а также в лампах накаливания. Несмотря на эксперименты с другими излучателями: дозирующими катодами, гексаборидом лантана и церия, вольфрамом, легированным торием и рением, чистый вольфрам остается лучшим материалом для нити накала. Нить накала сделана из проволоки, которая намотана спиралью и вставлена ​​в чашку, которая действует как фокусирующий элемент для формирования необходимого прямоугольного электронного пучка.Спираль служит для усиления нити и обеспечивает увеличенную площадь поверхности для максимального увеличения эмиссии электронов.

Вольфрамовая проволока легко доступна и перерабатывается в пригодные для использования формы. Проволока относительно прочная, прочная и сохраняет свою форму, когда контролируются такие нагрузки, как вибрация и удары. Производители рентгеновских трубок стабилизируют и укрепляют волокна с помощью процесса, называемого перекристаллизацией. Это изменяет микроструктуру необработанной волокнистой проволоки на такую, у которой отношение длины к диаметру кристаллической структуры находится в диапазоне от 3 до 6.Перекристаллизация осуществляется путем очень быстрого нагрева проволоки примерно до 2600 градусов Цельсия за несколько секунд и выдерживания ее там в течение очень короткого времени.
Обычным параметром для нитей накала является срок службы. Когда горячий вольфрам медленно испаряется с его поверхности, чем выше температура, тем больше скорость испарения. В идеале вольфрам испаряется равномерно, но на практике он начинает образовывать горячие точки на границах кристаллических зерен, которые видны как «выемки». В горячих точках вольфрам легче испаряется, и в этих местах проволока становится более тонкой, в конечном итоге разгораясь.Чем выше температура нити накала, тем больше зерна вольфрама растут со временем и тем быстрее прогрессирует надрез. Кроме того, если для холодной нити накала допускаются высокие пусковые токи, это ускоряет выгорание из-за перегрева истонченных участков.

Что касается срока службы нити, то уменьшение массы проволоки примерно на 10% считается окончанием срока службы. Это означает уменьшение диаметра проволоки на 5,13%, а срок службы нити составляет около 98%. (Срок службы вольфрамовой нити при нагреве постоянным током, А.Уилсон, Журнал прикладной физики, т. 40 No. 4 Pg. 1956, 15 марта 1969 г.) (Эта ссылка также дает хорошую картину прохождения нити накала с надрезом в условиях постоянного тока и проволоки без надрезов в условиях переменного тока.) Многие производители считают уменьшение диаметра на 5 или 6% окончанием срока службы. .

б. Ускоренное выгорание нити накала: на характеристики рентгеновской трубки влияет несколько факторов, включая: ток трубки, напряжение трубки, расстояние между анодом и катодом, угол мишени и размер фокального пятна (размер электронного луча).На размер фокального пятна влияют: площадь поверхности проволоки, шаг спирали (количество витков на дюйм), диаметр / длина спирали, высота нити в ее фокусировочной чашке и форма самой чашки. Только высокое напряжение между анодом и катодом и ток накала (температура) определяют эмиссию трубки. Излучение регулируется уравнением Ричардсона-Душмана, которое очень зависит от температуры нити накала; чем выше температура, тем больше эмиссии.
Нить накала в трубке становится более горячей, когда от трубки требуется больший ток трубки при фиксированном напряжении или когда требуется больший ток трубки, но трубка работает при более низком напряжении.Например, сравниваются два случая для стационарной анодной трубки. Во-первых: трубка, работающая при 160 кВ при 1 миллиампере (мА) по сравнению с 5 мА. В этой трубке нить накала рассчитана на температуру около 2086 градусов Кельвина по сравнению с 2260 градусами Кельвина при 5 мА. Увеличение на 174 градуса приводит к увеличению скорости испарения в 21 раз при 5 миллиамперном режиме по сравнению с 1 мА. («Скорость испарения и давление пара вольфрама…», Джонс и Маккей, Physical Review, Том XX, № 2, август 1927 г.Во-вторых, для той же трубки, работающей при 40 кВ при 5 мА по сравнению с 160 кВ и 1 мА, температуры составляют 2300 К и 2086 К соответственно, что сокращает срок службы примерно в 43 раза. Интересно, что относительно небольшое сокращение срока службы происходит при низком токе трубки, когда напряжение трубки уменьшается; например, 160 кВ против 40 кВ, оба для 1 мА, сокращают срок службы только в 1,3 раза, а 160 кВ против 40 кВ при 5 мА сокращаются в 2,1 раза.

Итого:

160 кВ при 5 мА vs.160 кВ при 1 мА Срок службы нити накала в 21 раз меньше
40 кВ при 5 мА против 160 кВ при 1 мА Срок службы нити накала в 43 раза меньше
40 кВ при 1 мА против 160 кВ при 1 мА Срок службы нити накала в 1,3 раза меньше
40 кВ при 5 мА против 160 кВ при 5 мА Срок службы нити накала в 2,1 раза меньше

Это показывает, что увеличение тока трубки (вызванное повышением температуры нити накала) намного важнее, чем изменение напряжения трубки. В этих примерах будут отличаться отдельные типы трубок, а также отдельные трубки одного типа.

Повреждения нити из-за перегорания вызваны высокими рабочими температурами; чем выше температура, тем быстрее прогорает нить.Вольфрам испаряется с поверхности нити, но неравномерно, поэтому образуются горячие точки, которые испаряются быстрее. Горячие точки возникают на гранях кристаллов вольфрама, которые испаряются преимущественно на различных поверхностях кристаллов. Чем выше температура нити накала и чем дольше она там работает, тем крупнее растут кристаллы. Длительный срок службы достигается за счет того, что кристаллы длинные и узкие вдоль оси проволоки, а температура поддерживается как можно более низкой.

г. Медленная утечка: для работы рентгеновских трубок требуется высокий вакуум.Уплотнения стекло-металл и металлические паяные соединения, которые подходят для начала, начинают утомляться и иногда начинают пропускать незначительные количества газа, постепенно увеличивая давление газа. Характеристики трубки начинают ухудшаться из-за испарения материалов и возникновения дуги высокого напряжения, что может быть вызвано более высоким давлением газа.

г. Неактивность: Отсутствие работы позволяет газам в вакуумной трубке накапливаться и перемещаться по поверхностям. Когда нить накала находится под напряжением и подается высокое напряжение, может возникнуть дуга, особенно при более высоких рабочих напряжениях.Большинство производителей рекомендуют процедуру прогрева в зависимости от периода бездействия. Обязательно, это универсальная процедура, но одна процедура может не подходить для всех. В некоторых случаях необходима дополнительная расширенная работа, включая работу с более высокой мощностью или напряжением, называемая приправой, которая помогает работе лампы. Это может не работать должным образом или не работать вообще, и трубку необходимо заменить.

e. Растрескивание стекла: Большинство трубок изготавливаются из стекла в качестве вакуумных стенок, но стекло также выполняет задачу изоляции электродов трубки (катода, анода и земли) от токов утечки и дугового замыкания.Со временем и в зависимости от факторов использования металл (вольфрам) с анода и нити накала начинает испаряться на стеклянные поверхности, вызывая в конечном итоге дуговую разрядку и выход из строя трубки.
Дуга вызывает повреждение испаряемого материала и может вызвать травление стеклянных изоляторов. Это состояние часто называют «растрескиванием» или «травлением».

Для смягчения эффектов испарения используются различные методы, в том числе: пескоструйная обработка стекла (что увеличивает изолирующий путь), использование анода с кожухом на неподвижных анодных трубках (кожух или кожух уменьшает испарения цели на стекле), вакуум в металлическом центре стены (которые уменьшают испарение нити накала на стекле во вращающихся анодных трубках и некоторых стационарных анодных трубках), а также использование керамики.Эти методы не устраняют испарение металла, но значительно сокращают его отложение на стеклянных и керамических изолирующих поверхностях, тем самым предотвращая возникновение дуги. Эти методы могут привести к другим нежелательным эффектам, например, пескоструйная обработка стекла может привести к выделению частиц стекла, что приведет к перегоранию дуги.

ф. Дуговой разряд: Дуговой разряд — распространенная проблема во всех высоковольтных системах. Некоторые причины были упомянуты выше: высокий уровень газа в вакууме, испарение проводящего металла на поверхностях изолятора, а также образование трещин или травление изоляторов, которые, в свою очередь, создают более высокое давление газа или ухудшают способность изоляторов удерживать высокое напряжение.Другие причины, такие как небольшие изоляторы или металлические частицы, которые высвобождаются в процессе работы или могут образовываться внутри трубки, образуют газ и проводящие пленки на изоляторах.
Эти частицы могут вызывать небольшие, но сфокусированные электронные пучки, вызывающие дуги.

г. Микротрещина мишени: При подаче питания на трубку электронный луч попадает в мишень, и температура под этим лучом быстро повышается. Для стационарных анодных трубок мощность и температура относительно низкие, а равновесная температура достигается за доли минуты.Поверхность вольфрамовой мишени может легко достичь температуры плавления вольфрама (3400 градусов по Цельсию), но она ограничена примерно 400 градусами по Цельсию (750 по Фаренгейту), поэтому вольфрамовый диск не отделяется от своего медного основания. Повышение температуры на целевой поверхности вызывает напряжения, которые могут привести к мелким трещинам на целевой поверхности. Со временем и с включением / выключением эти трещины растут, и некоторые электроны в пучке попадают в эти трещины, поэтому результирующее рентгеновское излучение изменяется. Вольфрам поглощает часть излучения из трещин, и интенсивность излучения уменьшается, а энергия рентгеновских лучей становится более жесткой (лучи с более высокой энергией).Использование ламп с меньшей мощностью и меньшим целевым углом) также снижает эту тенденцию.

Для трубок с вращающимся анодом, мощность которых может быть до 1000 раз больше, чем у неподвижного анода, микротрещины мишени намного более серьезны, и поэтому его эффекты сильнее. Температура целевого фокального пятна во вращающейся анодной трубке может достигать 2800 градусов по Цельсию (более 5000 по Фаренгейту). Уменьшение радиации в зависимости от количества воздействий часто называют «спадом радиации». Микротрещины уменьшаются за счет использования минимально необходимой мощности, максимально возможного фокусного пятна и более длительных выдержек при пониженной мощности, а не более коротких выдержек при более высоких мощностях.Такие критерии применимы и к стационарным анодным трубкам. Микротрещины уменьшают теплопередачу, что увеличивает температуру фокального пятна, что увеличивает испарение вольфрамовой мишени на стекле.

ч. Случайное повреждение: Хотя это и не является серьезной причиной отказа, случайное повреждение может быть вызвано несоблюдением рекомендованных протоколов во время установки и эксплуатации. Непонимание, незнание и предположения могут нанести случайный ущерб. Применяется пословица плотника: один раз отмерь, дважды отрежь; дважды отмерь, один раз отрежь.Для рентгеновских трубок проверьте и дважды проверьте.

и. Подшипники: Отказ подшипника вращающихся анодных трубок может быть проблематичным. Все механические системы изнашиваются и перестают работать, поэтому главное — добиться долговечности. Высокая температура и высокая скорость максимально сокращают срок службы подшипников. В процессе эксплуатации смазка (обычно это серебро или свинец) стирается с поверхностей шариков и дорожек качения, оставляя контакт между сталью, что приводит к заеданию или заклиниванию. При консервативном использовании подшипники обычно дольше других механизмов отказа.При выборе вращающегося анода вместо стационарной трубки необходимо тщательно изучить требования к излучению и принцип действия.

2. Недостатки в производстве.

а. Немедленные отказы: Как бы ни старался производитель, не все лампы сделаны одинаково. Существуют небольшие различия, но производителю необходимо убедиться, что такие различия не влияют на работу трубки.

и. Исключение с помощью теста: После производства и обработки труба подвергается серии тестов для завершения окончательной обработки, но, что более важно, чтобы убедиться, что она соответствует стандартам производительности, установленным для этой модели.Трубка проходит проверку качества. Первичная проверка — это стабильность высокого напряжения. Каждая трубка подвергается воздействию высоких напряжений, обычно превышающих ее максимальное рабочее напряжение на 15% или более при работе с максимальной мощностью. Такая обработка удаляет газы и частицы, а чистые поверхности оставляют работать при высоких напряжениях. Затем трубку подвергают испытанию на производительность
, чтобы проверить ее стабильность высокого напряжения, чтобы в течение определенного периода времени при работе с максимальным номинальным напряжением не возникало дуги или возникали ограниченные дуги.
Катодная эмиссия, вольт-амперные характеристики нити накала, размер фокусного пятна, тепловая нагрузка и другие соответствующие характеристики проверяются и измеряются. Для трубок с вращающимся анодом проводятся дополнительные испытания, такие как шум, вибрация, время выбега и другие, для оценки характеристик ротора и подшипников. Пробирки, не соответствующие спецификациям, отбраковываются / списываются, но анализируются для выявления причин неисправности, чтобы можно было внести исправления в производственный процесс.

ii. Период выдержки: Иногда, несмотря на удовлетворительные результаты тестирования, если пробирки выдерживаются в течение 2–4 недель, они не работают удовлетворительно, особенно в условиях высокого напряжения.Изменение характеристик обычно вызвано крошечными утечками вакуума, которые не могут быть обнаружены обычными средствами, но выделяют газы, которые не обеспечивают хорошие (высокое напряжение) характеристики. Обычный термоциклирование может вызвать утечки или открыться пустоты и ввести вредные газы. Такое снижение производительности случается редко, но в некоторых случаях более длительное время простоя или нормальное время оборота инвентаря выявляет дополнительные сбои.

iii. Неподходящие материалы: Современные материалы, такие как бескислородная медь, кобальтовые сплавы с контролируемым расширением, вольфрам с добавлением рения, высокопрочные жаропрочные сплавы, графит вакуумного класса, высокотемпературные припои, а также керамика и техническое стекло, значительно улучшили характеристики трубок.Из-за таких улучшений необходим высокий уровень контроля качества, чтобы гарантировать качество этих и других материалов. Для гарантии качества поставщика часто используются испытания и сертификаты соответствия. Несмотря на эти усилия, материалы не соответствующего стандарта могут проникнуть в производственный процесс. Хорошим примером является стержень из бескислородной меди, который при экструдировании может содержать стрингеры, вызывающие утечки вакуума. Необходимо использовать более дорогие кованые пластины и стержни. Обычно эти недостатки выявляются собственными силами, а заказчик не замечает их.

iv. Сбои технологического процесса: Новые процессы, такие как: переплав металлов в вакууме, турбомолекулярные вакуумные насосы, высокотемпературная вакуумная обработка, высокотемпературное сжигание газообразного водорода, вакуумная пайка и электрополировка, также обеспечивают улучшенные характеристики рентгеновской трубки. Автоматизация помогла обеспечить более стабильный продукт. Однако, если эти процессы / используемое оборудование выйдут из строя или управление будет потеряно, хорошо отлаженный процесс может легко выйти из строя, что может привести к появлению маргинальных или бракованных трубок.

б.Скрытые отказы: Скрытые или непредсказуемые отказы, которые происходят во времени, часто непредвидены, а иногда не могут быть связаны с известной причиной.

и. Оптимизация процессов: Многие процессы, используемые на трубах и их деталях, развивались на протяжении многих лет и благодаря практическому опыту. Если нет явных доказательств обратного, производители неохотно изменяют процесс, опасаясь неизвестных последствий. Например, анод с графитовым диском, припаянным к его задней части для вращающейся анодной трубки, должен быть удален перед сборкой.Если температура слишком высока, может произойти повреждение пайки и ее поверхности раздела
, но если температура слишком низкая, может быть нарушена адекватная дегазация. В стационарном аноде высокая температура на аноде способствует дегазации, но насколько высокой и как долго может быть температура до того, как произойдет (скрытое) повреждение? Многие процессы попадают в эту категорию, например: дегазация, вакуумная откачка и добавление приправ. Слишком консервативность чревата неудовлетворительной работой, слишком агрессивная чревата повреждением. Трудно найти подходящий компромисс, и когда процесс заработает, часто лучше оставить его в покое.

ii. Маргинальные или плохо понятые процессы: Некоторые сбои вызваны эффектами, которые не очень хорошо известны или для которых неизвестны побочные эффекты различных процессов. Почему диэлектрическое масло иногда темнеет и в нем есть посторонние предметы, но трубка работает нормально? В других системах наблюдается искрение, но трубка, охлаждающее масло и окружающая среда выглядят и проходят испытания нормально. Смазка шарикоподшипников вращающегося анода — хороший пример недостаточного понимания процесса.Смазка, обычно свинцовая или серебряная, наносится химическим или физическим методом испарения, имеет пятнистую природу и не очень однородна. Требуется некоторая приработка трубок для более равномерного распределения смазки. Также важна средняя толщина; слишком тонкие и срок службы подшипников снижается, слишком толстые трубы работают неровно и часто заедают. Исторические результаты и метод проб и ошибок определяют этот процесс, но физические причины не совсем понятны.

iii. Анализ отказов / неотслеживаемые причины: Анализ отказов может выявить причину отказа и является важным процессом, используемым производителями для обнаружения скрытых и немедленных отказов.Иногда проблема очевидна, в других случаях требуется много анализа и тестирования, чтобы выявить первопричину. Любой человек, занимающийся анализом отказов, знает, что, несмотря на большие усилия, во многих случаях невозможно найти основную причину. Либо отказ уничтожает окончательные доказательства, либо разборка во время анализа удаляет доказательства. Иногда обнаруживается недостаточно доказательств, чтобы сделать однозначный вывод. Лучшее, что можно сделать, — это экстраполировать на причину.

Распространенным отказом относительно долгоживущих трубок является искрение.Наиболее частыми доказанными причинами возникновения дуги являются: высокое давление остаточного газа, деградация изоляторов и паразитная электронная эмиссия (обычно называемая «автоэлектронной эмиссией»). Первые две темы были затронуты ранее. Что касается автоэмиссии, микроскопические частицы (как металлические проводники, так и неметаллические изоляторы) могут вызывать небольшие электрические токи, обычно в диапазоне наноампер, которые излучаются просто из-за очень сильных электрических полей. Эти незначительные токи, которые излучаются в форме луча, могут при определенных условиях заряжать изоляторы, которые затем разряжаются, вызывая дугу.Зарядка также может вызвать выход из строя изолятора в виде прокола, который представляет собой крошечное отверстие в изоляторе, вызывающее потерю вакуума. В качестве альтернативы частицы могут отделяться, ускоряться, таким образом набирая большую энергию в электрическом поле, и взрываться при ударе, вызывая дугу. Удар часто вызывает вторичные повреждения в виде осколков, которые, в свою очередь, вызывают больше автоэлектронной эмиссии.

Производители подчеркивают чистоту, чтобы уменьшить количество твердых частиц, обычно собирая трубки в чистых помещениях и используя различные процессы, такие как ультразвуковая очистка или электрополировка для удаления частиц.Несмотря на такие усилия, мельчайшие частицы все же попадают в трубку. Чтобы уменьшить количество твердых частиц, каждую новую трубку «приправляют» или подвергают воздействию высокого напряжения до примерно 25% от ее максимального рабочего напряжения, чтобы сжечь или удалить частицы из неактивных частей трубки. Приправка трубки в холодных условиях приносит мало пользы, поэтому трубка должна эксплуатироваться в соответствии с определенным тепловым протоколом, из которых возможно множество. Графики для такой приправы включают значительные эксперименты и оценки, но все же не всегда идеальны.Получить трубку, которая никогда не искривляется, чрезвычайно сложно.

3. Несоответствие приложений.

Ранняя маммография — хороший пример начального несоответствия трубки, когда для получения маммограммы использовалась стандартная диагностическая трубка. В результате диагноз поставили довольно скверно, часто возникали лучевые ожоги. За несколько лет выяснилось, что излучение молибдена при напряжении около 30 кВ с очень маленькими фокусными пятнами, помещенными в трубки, которые специально соответствуют анатомии, очень эффективно для ранней диагностики рака груди.Новые пробирки были разработаны с учетом этих требований, и сегодня они являются золотым стандартом для незаменимого раннего обнаружения.

а. Излучение с низким кВ / высоким мА: Обычное несоответствие может возникнуть, когда лампа, предназначенная для использования с высоким напряжением, используется при более низких напряжениях (обычно половина или меньше максимума), нить накала должна работать при более высоком токе, чтобы преодолеть ограниченное излучение. . В конкретной трубке с вращающимся анодом, работающей при 125 кВ и 300 мА, при снижении до 50 кВ и 300 мА нить накала должна работать с мощностью на 16% больше, чтобы преодолеть более низкое напряжение трубки.Поскольку нить накала охлаждается излучением с температурой, пропорциональной 4-й степени (T⁴), увеличение на 16% означает увеличение температуры нити только на 3,8%. Хотя это кажется небольшим, вольфрам испаряется примерно в три раза быстрее при более высокой мощности, что в этом случае приводит к сокращению срока службы нити в три раза. Если трубка работает при более высоком токе трубки (в данном случае> 300 мА) при 50 кВ, ток накала необходимо увеличить, что приведет к еще большему сокращению срока службы накала. Часто с таким несоответствием приходится мириться, потому что производитель желает создать особый дизайн, особенно если продажи будут ограничены.

б. Температура / Срок службы: Основное правило рентгеновских трубок — температура — враг. Чем больше мощность, тем короче срок службы лампы. Однако без соответствующей мощности может не хватить интенсивности рентгеновского излучения для выполнения работы. Испарение нити накала, вызывающее нежелательные металлические отложения, в конечном итоге приведет к перегоранию дуги изолятора. Работа мишени при более высокой температуре не только в конечном итоге вызовет испарение мишени, но и качество излучения с точки зрения распределения энергии и интенсивности начнет изменяться и снижаться из-за микротрещин.
При работе трубки присутствуют термомеханические напряжения. Уплотнения стекло-металл подвергаются нагрузке при нагревании, и чем больше тепла, тем выше температура, что приводит к увеличению напряжения. В конечном итоге мельчайшие частицы могут сломаться, или стекло образует мелкие трещины, которые увеличиваются при прохождении излучения. Механическая усталость всегда присутствует из-за циклического воздействия температуры, и чем больше оно происходит, тем быстрее развивается усталость. Более высокая мощность вызывает более высокую температуру, что ускоряет утомление. Работа рентгеновской трубки на минимальной полезной мощности продлевает срок службы.

4. Неправильный привод от источника питания.

В источнике рентгеновского излучения источник питания обеспечивает всю необходимую мощность для работы трубки, включая нить накала и часто питание ротора для трубки с вращающимся анодом. Дополнительно источник питания содержит логику и блокировки, используемые системой. Таким образом, источник питания является неотъемлемой частью источника рентгеновского излучения и действует согласованно.

а. Импеданс источника питания: Одной из наиболее важных характеристик источника питания является его полное сопротивление.Для стационарных анодных трубок, которые работают на несколько сотен ватт, импеданс может быть высоким, что означает, что он содержит большое сопротивление, поэтому в случае дуги повреждение трубки и чувствительной электроники сводится к минимуму. Дуга обычно гаснет, когда напряжение, поддерживающее дугу, уменьшается. Когда ток в дуге проходит через сопротивление высокого напряжения, напряжение на сопротивлении увеличивается, тем самым уменьшая напряжение на трубке и других частях схемы высокого напряжения. Если давление газа в трубке становится настолько высоким, чтобы поддерживать дугу, импеданс также защищает источник питания и связанную электронику.Ничего нельзя сделать с трубкой для улучшения ее характеристик, когда уровень газа в ней становится слишком высоким.

К сожалению, высокий импеданс также означает, что если дуга начинается из-за эмиссии частиц, поля или светового испарения, часто не хватает энергии, чтобы устранить или испарить причину, и дуга может продолжаться.

Трубка с вращающимся анодом работает в условиях гораздо более высокой мощности, иногда более 100 киловатт или почти в 1000 раз больше, чем у неподвижного анода. Здесь источник питания не может иметь высокое сопротивление, иначе он не сможет поддерживать требуемую мощность.В этих случаях часто необходимо ограничить запасенную энергию до уровня менее 10 джоулей. Кабели высокого напряжения и конденсаторы умножителей напряжения будут накапливать такую ​​энергию, что может привести к повреждению трубки в результате дуги. Десять джоулей не является фиксированной величиной, это всего лишь ориентировочное значение, поскольку некоторые лампы работают удовлетворительно с большим запасом энергии, а другие не работают с меньшим количеством энергии. Емкость становится более проблемной при более высоких напряжениях, поскольку энергия пропорциональна квадрату напряжения.

б.Нить накала постоянного / переменного тока: Обычно нити накала работают в условиях переменного напряжения / тока. Есть три основных причины. Во-первых, исторически было проще контролировать и подавать переменный ток (AC), а во-вторых, при использовании постоянного тока (DC) наблюдается тенденция к росту зерна, что приводит к образованию хрупких хрупких нитей со временем и более быстрому сгоранию. Наконец, что менее важно, в условиях постоянного тока на одном конце нити накала будет существовать небольшой фиксированный потенциал, равный рабочему потенциалу нити, который может исказить фокусное пятно, слегка смещая его по отношению к фокусирующей чашке.Эффект более выражен с меньшими фокусными пятнами и высокими условиями излучения. При переменном токе такое смещение чередуется между обоими концами нити накала и таким образом размывается.
Для нитей, нагретых постоянным током, наблюдается образование надрезов, особенно для тонких нитей. В этом случае некоторые ионы вольфрама образуются из испаренных атомов вольфрама, притягиваются к отрицательному концу нити и осаждаются, образуя серию «выемок». Эти выемки тоньше, чем другие участки нити, и приводят к возникновению горячих точек с последующим большим испарением и, в конечном итоге, выгоранием.Сообщается о сокращении срока службы нити от двух до десяти раз при работе с постоянным током, а не с переменным током. Современные источники питания, в которых используются нити постоянного тока, заимствованы из высокочастотного преобразователя. В этих условиях в сигнале нити накала присутствует низкоамплитудная высокочастотная пульсация порядка 10 с кГц, что сводит к минимуму эффекты режекции.

г. Высокая частота: Металлические уплотнения в трубке изготовлены из ковара или аналогичного сплава, состоящего из железа, никеля и кобальта, которые обладают сильными магнитными свойствами.В уплотнениях есть проходы, по которым проходит ток нити накала. Под воздействием высокой частоты магнитные материалы подвержены магнитному гистерезису, вихревым токам и скин-эффекту, который забирает энергию из электрического тока. Это явление требует, чтобы источник питания выдавал большую мощность, чем по сравнению с немагнитными материалами, чтобы преодолеть потери. Чем выше частота, тем больше потери. Потеря мощности приведет к нагреву вводов, а эффект механической нагрузки в уплотнениях не совсем понятен.В настоящее время используются частоты до 40 кГц. Для катода и анода используются высокочастотные источники высокого напряжения, но они выпрямлены до постоянного тока.

г. Скорость вращения / тормоз: Для вращающихся труб срок службы подшипников, а также испарение нити являются основными факторами, влияющими на срок службы трубки. Когда требуется экспонирование, к статору прилагается мощность, так что анод трубки достигает скорости вращения (оборотов в минуту). Такая минимальная скорость указывается производителем, а синхронизированная скорость исторически имеет четыре значения в зависимости от частоты коммерческой мощности; для 60 Гц максимальная скорость составляет 3600 об / мин или при тройной скорости 10800, для мощности 50 Гц — 3000 об / мин и 9000 для тройной скорости.Эти скорости обычно называют «низкой» или «высокой» скоростью для нормальной сингулярной частоты или тройной частоты соответственно. На практике ротор никогда не может полностью достичь этой скорости, потому что трение в подшипниках и неполная магнитная связь между статором и ротором снижают скорость. Фактически, эффективность системы статор / ротор составляет всего около 10% по сравнению с коммерческими двигателями, которые обычно более 90%. По этим причинам производители обычно указывают минимальную скорость, как правило, 3000, 9500, 2800 и 8500 или аналогичные значения, чтобы учесть скольжение от синхронной скорости.
Когда инициируется экспонирование, мощность статора прикладывается в течение определенного времени для достижения минимальной скорости и зависит от: момента инерции анода (очень примерно пропорциональна теплоемкости), напряжения, приложенного к статора и частоты приложенного напряжения (высокая или низкая скорость). Обычно время «разгона» ротора составляет от 1,5 до 6 или более секунд. После применения наддува статор переходит в режим «работы», в котором постоянно применяется пониженное напряжение (обычно от 80 до 100 вольт) для поддержания минимальной скорости.Часто установщик должен регулировать время разгона для достижения минимальной скорости, и это может стать практической проблемой для реализации. Герконовые тахометры и синхронные стробоскопы могут измерять скорость вращения. Необходимо учитывать тепловое состояние анода; горячий анод будет двигаться с меньшей скоростью, чем холодный анод из-за повышенного трения и уменьшения магнитной связи. После экспонирования скорость ротора снижается или тормозится путем подачи напряжения только на одну обмотку статора.
Торможение сделано для быстрого уменьшения вращения подшипника, но не менее важно для быстрого прохождения резонанса ротора. Все роторы имеют собственную резонансную частоту, и в этот момент ротор / анод могут заметно вибрировать. Чтобы быстро преодолеть эту резонансную скорость и свести к минимуму любой повреждающий эффект, подается напряжение торможения. Типичные резонансные частоты составляют от 4000 до 5000 об / мин (65-80 Гц), особенно важно тормозить после работы на высокой скорости. Принимая во внимание обычное более короткое ускорение накала накала и более длительное время вращения ротора, можно увидеть, что последовательность событий рентгеновской системы такова: вызов облучения, применение усиления статора, применение усиления накала, применение импульса высокого напряжения экспонирования, уменьшение состояния накала до холостого хода, обрыв анодная скорость.Современные блоки питания приспособлены ко всем этим временным последовательностям.

e. Усиление накала: Когда рентгеновская трубка не производит рентгеновское излучение (т.е.на катод и анод не подается высокое напряжение), ее нить находится в так называемом режиме холостого хода (или предварительного нагрева). Через него протекает ток, но он находится ниже точки излучения, где будет протекать ток трубки. Всякий раз, когда требуется экспонирование, ток нити накала «повышается» до заранее определенного значения, что позволяет протекать определенному току трубки, когда к трубке прикладывается высокое напряжение.Когда рентгеновские лучи больше не нужны, высокое напряжение отключается, и нить возвращается в режим холостого хода.
Типичное время разгона нити накала составляет от половины до одной секунды. Этот метод особенно важен для трубки с вращающимся анодом, где токи в трубке велики, а срок службы нити накала сохраняется за счет использования ее только тогда, когда необходимы рентгеновские лучи. Ток холостого хода нити накала выбирается таким образом, чтобы испарение с нити накала составляло очень небольшую часть тока нити, необходимого для высокой эмиссии, что сводит к минимуму испарение на холостом ходу.Если ток в лампе достаточно низкий, некоторые стационарные анодные лампы вообще не усиливаются, и нить накала может быть выведена из состояния отсутствия питания. Системы с непрерывными импульсами могут представлять проблему с испарением, потому что, если частота повторения импульсов высока, между импульсами не хватает времени для усиления нити накала до того, как придет следующий импульс. Обычно в этих случаях нить накала работает в режиме форсирования до тех пор, пока не закончится вся генерация импульсов. Современные источники питания полностью приспособлены ко всем этим временным последовательностям.

ф. Логические схемы: Как видно из предшествующего описания, логическая последовательность и их производительность критически важны. Добавьте другие системы, такие как блокировки, последовательность визуализации, требования к рентгенографическим объектам и другие системные требования, и вы увидите, что функционирование и надежность логических систем
являются обязательными, если ничего не пойдет не так. Иногда искрение в лампе может вызвать переходные процессы, вызванные скачками тока или прерыванием высокого напряжения, что приведет к сбою цепи в логике.Современные источники питания имеют изолированные логические схемы, которые защищают чувствительную электронику от переходных процессов при нормальной работе и искрения.

г. Настройки предела накала / предварительного нагрева нити: Одной из наиболее важных настроек является регулировка предела накала. Уставка предела накала ограничивает максимальный выходной ток источника питания накаливания для защиты нити рентгеновской трубки. Эта настройка сделает невозможным превышение этого значения генератором рентгеновских лучей ни при каких обстоятельствах.Он должен быть установлен на уровне или ниже спецификации производителя рентгеновской трубки.

При установке предела накала ниже максимальной спецификации рентгеновской трубки, предел накала должен быть на 10-15% выше, чем ток накала, необходимый для достижения максимального запрограммированного тока эмиссии (мА) при минимальной используемой настройке кВ. Помните, что максимальные значения для нити накала отличаются от ТРЕБУЕМЫХ значений для излучения. Установка 10-15% сверх необходимых значений тока эмиссии обеспечивает запас, а также лучшие характеристики отклика поезда.
Всегда поддерживайте уровень предела накала на уровне или ниже рекомендованных производителем максимальных значений тока накала. Ток в режиме ожидания нити (называемый в некоторых линейках продуктов предварительным нагревом нити) — это ток холостого хода, подаваемый на нить накала рентгеновской трубки во время режима ожидания рентгеновского излучения (высоковольтное напряжение выключено / рентгеновское излучение отключено).
Уставка предварительного нагрева нити обычно составляет от 1 до 2 ампер, но следует проконсультироваться с производителем рентгеновской трубки. Хорошим ориентиром для рассмотрения является ограничение максимального уровня предварительного нагрева нити до 50% от указанного в спецификации предела нити.Совершенно нормально установить ток в режиме ожидания на ноль, если не требуется быстрое нарастание тока эмиссии.

5. Замечания по корпусу трубок.

Рентгеновская трубка должна быть заключена в подходящий контейнер, чтобы: предотвратить распространение рентгеновских лучей во всех направлениях, обеспечить подходящую изоляцию от высокого напряжения и обеспечить охлаждение трубки / системы. Для автономной рентгеновской трубки контейнер называется корпусом, узлом трубки или источником излучения, а для системы, в которой источник питания совмещен с трубкой, его обычно называют Monoblock® (зарегистрированная торговая марка Spellman). .

а. Утечка в диэлектрике (масле): Диэлектрик, обычно трансформаторное масло с ингибитором окисления, должен обеспечивать высоковольтную изоляцию для предотвращения искрения на всех высоковольтных поверхностях. Если происходит утечка масла, это обычно означает, что воздух также просачивается в корпус, а если воздух попадает в область поля высокого напряжения, это вызывает дуговое замыкание. Если искрение не исчезнет, ​​нагар от разложения масла начнет покрывать поверхности, и они не могут быть восстановлены. Масляные уплотнения часто изготавливаются из уплотнительных колец, а для ингибированного масла подходит резина Buna N.Некоторые материалы, такие как неопрен, не подходят, так как они разбухают в этом масле. Обычные рекомендации производителей уплотнительных колец для процентов сжатия составляют около 5-10% и не применяются. Фактически используется сжатие около 25%, поскольку уплотнительные кольца при типичных высоких температурах корпуса теряют упругость и могут начать просачиваться.

Используемое масло содержит абсорбированные газы, которые необходимо удалить с помощью вакуумной обработки, чтобы предотвратить их попадание в корпус. Такая обработка увеличивает диэлектрическую прочность, измеряемую в вольтах на расстояние.Типичные значения превышают 30 киловольт на дюйм. Важное значение имеют материалы, используемые внутри корпуса, обычно пластиковые изоляторы. Они могут выщелачивать пластификаторы или другие химические вещества, которые могут растворяться в масле и снижать электрическую прочность. Температура усиливает выщелачивание. Необходимо проявлять осторожность при испытании материалов, используемых в корпусе, даже при изготовлении новых партий этих деталей.

б. Перегрев: Перегрев может вызвать покалывание не только в трубке, но и в корпусе.Многие системы имеют теплообменник, в котором используется вентилятор, а иногда и насос для циркуляции масла. Крайне важно, чтобы эти теплообменники содержались в чистоте. Основная причина этого — пыль, которая препятствует как естественной, так и принудительной (вентиляторной) конвекции воздуха. В результате корпус перегревается, необходимо составить график технического обслуживания.

г. Температура окружающей среды: Необходимо соблюдать температуру окружающей среды, указанную производителем. Типичная температура окружающей среды составляет 25 или 30 градусов Цельсия, а в условиях высокой нагрузки температура корпуса может достигать 75 или 80 градусов Цельсия, что является типичным пределом.Таким образом, повышение температуры может составлять около 50 градусов, и если температура окружающей среды выше, чем указано, это повышение температуры будет добавлено к температуре окружающей среды, что приведет к перегреву. Кожухи, часто используемые при испытаниях и для предотвращения утечки излучения, могут привести к повышению температуры окружающей среды выше рекомендованной. Также нередко можно найти пластиковые или тканевые чехлы, используемые для «защиты» оборудования, но они только мешают конвекционному воздушному потоку и могут легко привести к перегреву.

г.Положение корпуса: Трубчатый корпус с теплообменником или без него может нагреваться в верхней части, а не в нижней. Это связано с тем, что диэлектрическое охлаждающее масло образует сильные конвекционные токи, которые поднимаются, как дым от сигареты, и переносят тепло к верхней части корпуса. Необходимо проявлять осторожность, чтобы обеспечить наилучшее положение корпуса при эксплуатации. Часто термопары могут направлять и обнаруживать горячие участки, но для точных измерений необходим хороший тепловой контакт.

e.Кабельные / заземляющие соединения: Хотя это кажется очевидным, хорошие электрические соединения необходимы. Заземление, особенно, а также другие соединения, такие как статор, реле защиты от перегрева и высоковольтные кабели, одинаково важны. Обязательно должны быть плотные винтовые соединения без изношенных контактов и проводов. Соединения высоковольтных кабелей особенно важны, потому что при попадании воздуха он ионизируется в областях с сильным полем и вызывает дугу через изоляцию. Обычно для герметизации воздуха и обеспечения плотного контакта между поверхностями используется высоковольтная смазка.После появления дуговых следов их ремонт не подлежит. Следует строго соблюдать рекомендации производителя по установке кабельного изолятора.

ф. Диэлектрическое расширение: При нагревании масло расширяет свой объем, как и все материалы. Рентгеновская система должна иметь достаточный объем для такого расширения. На холодной стороне при отгрузке системы должен быть предусмотрен объем для усадки. Это расширение и сжатие обычно достигается с помощью гибкой диафрагмы, позволяющей полностью изменить объем.Хорошая конструкция обеспечит запас прочности; чем больше, тем лучше. Коэффициенты безопасности не менее 25% — это хорошо. Не менее важна установка нейтральной точки в расширенных экскурсиях; диафрагма должна быть отрегулирована так, чтобы допускать возникновение расширения и сжатия. Эти факторы — требования к конструкции и производству.

г. Рейтинговая дисциплина: Одно из наиболее важных соображений при эксплуатации трубки — это работа в рамках опубликованных рейтингов. Знакомство и планирование — вот ключевые вопросы.Необходимо учитывать высокое напряжение и мощность накала, чтобы не допустить превышения долговременного перегрева, кратковременное превышение мощности на аноде может вызвать плавление фокусного пятна. Осторожность и осторожность — вот основные принципы. Не менее важна эксплуатация незагруженного теплообменника. То же самое относится и к вращающимся анодным трубкам, но дополнительно необходимо обеспечить правильное вращение. Индивидуальные параметры экспозиции важны для того, чтобы убедиться, что правильное фокусное пятно находится под напряжением, используется правильная диаграмма скорости, наблюдается высокое напряжение и выбрано правильное время импульса.Графики должны быть согласованы с характеристиками излучения нити накала и вольт-амперными характеристиками, чтобы избежать перегрузки. Очень легко перепутать графики и неправильно их прочитать. Всегда проверяйте дважды.

Щелкните здесь, чтобы загрузить PDF-файл. .
Максимальная нагрузка на профильную трубу таблица: Please Wait… | Cloudflare

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.