Drift of mechanical characteristics of Common Rail fuel lines during operating time

Abstract

During the operation of steel pipelines, there is a change, drift, in the characteristics of the materials from which they are made. In the field of technological pipelines and oil and gas complex pipelines, an extensive literature is devoted to this issue, including both scientific publications and regulatory state and industry documents. Changes in the material characteristics of high pressure fuel lines of internal combustion engines did not attract the attention of specialists. Fuel lines were an important component of engines, but at that injection pressure level, materials and technologies, which determine, inter alia, the cost of a component in the total cost of the engine, they remained outside the area of special attention. The development in Russia of its own production of Common Rail systems makes it necessary to study the behavior of parts under conditions of prolonged loading with an internal hydraulic pressure of 1600 kg/cm2 and higher. The drift of the characteristics of the materials of the high pressure fuel lines can be of great importance, in terms of the reliability of the fuel system and the whole engine. For the first time, studies were carried out of the mechanical characteristics of seamless steel pipes at various operating times on a non-motorized test bench under loading with an internal hydraulic pressure of 1600 kg/cm2 with a pulsation frequency of 45-55 Hz. It has been established that during running hours, the hardness in the cross sections of the fuel lines increases. The standard deviation of hardness values also increases, i.e. the spread of values is present. The nature of the change in the tensile strength and yield strength with an operating time of more than 1100 hours requires additional research. It is concluded that it is necessary to test a larger number of samples on the engine to find out the limiting values of the mechanical characteristics of the material.

Full Text

Введение Известно, что в процессе эксплуатации стальных трубопроводов происходит изменение, дрейф, характеристик материалов. Существует обширная литература, посвященная этой проблеме у труб нефте-газотранспортного комплекса и технологических трубопроводов, в частности [2, 3, 5-10]. В отношении топливопроводов высокого давления (далее - ТВД) систем Common Rail ситуация пока несколько иная. Производство систем Common Rail в России только начинает развиваться. При этом информации о поведении материалов, длительное время находящихся под давлением 1600 кг/см2 и более, явно недостаточно. Необходимость в такой информации есть. С одной стороны, это связано со все более ужесточающимися требованиями к двигателям и их топливным системам. С другой стороны, необходимость в такой информации обусловлена развитием отечественных систем подачи топлива под давлением 1600 кг/см2 и более. Уже сегодня ведутся опытно-конструкторские работы по созданию отечественных систем с давлениями впрыска топлива 1800 кг/см2 и выше. Системы Common Rail получают все большее распространение в современных двигателях: по некоторым оценкам, около 80 % автомобильных двигателей комплектуются топливной аппаратурой этого типа. В России после принятия экологических норм уровня EURO-IV повышение давления впрыска, реализуемое, главным образом, в системах типа Common Rail, стало основным путем развития топливной аппаратуры дизельных двигателей. До сих пор предпринимались отдельные попытки изучения свойств материалов топливопроводов, работающих в условиях циклического нагружения внутренним гидравлическим давлением. Отдельные результаты таких исследований ТВД, изготовленных из стальной бесшовной трубы китайского производства (сталь St52), изложены, в частности, в работе В.О. Свещинского и др. [11]. Цель исследования Определение характера изменения во времени предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и твердости в поперечном сечении топливопроводов высокого давления при длительном нагружении внутренним гидравлическим давлением 1600 кг/см2. Материалы и методы Объект изучения Топливопроводы высокого давления топливоподающей системы аккумуляторного типа, изготовленные из стальных бесшовных труб размерности 8×вн.3 производства российского предприятия ОАО «Первоуральский новотрубный завод» (далее - ОАО «ПНТЗ») [4]. В технических условиях [4] на трубы производства ОАО «ПНТЗ» для топливопроводов высокого давления марка материала не указывается. Это вполне соответствует общемировому тренду: в международном стандарте ISO 8535-1:2016 и российском государственном стандарте [1] марки материала труб не указываются, а регламентируются лишь свойства проката. Химический состав материала, из которого были изготовлены трубы, приведен в таблице 1. Ранее были проведены предварительные исследования поведения материала ТВД под нагрузкой для труб производства компании Jiangsusheng zhangjia gangfuren he gaojingguan Co., Ltd. Результаты кратко изложены в работе [11]. Порядок проведения работ Из труб одной партии поставки изготовили и замаркировали три заготовки. От каждой заготовки отрезали образец для определения механических свойств и твердости в поперечных сечениях. Из оставшихся труб изготовили три топливопровода, которые установили на безмоторный стенд для обкатки компонентов топливных систем типа Common Rail: насосов высокого давления и форсунок. Описание экспериментальной установки кратко дано в работе [11]. ТВД снимали с испытаний поочередно. Наработка топливопроводов составила: - образец № 1 - 1103 часа; - образец № 2 - 1520 часов; - образец № 3 - 540 часов. Для каждого образца определяли пределы прочности, текучести, относительное удлинение и твердости в поперечном сечении. Пределы прочности, текучести, относительное удлинение измеряли на универсальной разрывной машине Instron 3369 в АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Твердость HV0,1 измеряли на микротвердомере SHIMADZU HMV-G21DT в нескольких поперечных сечениях образцов до и после наработки на окружностях двух радиусов: R2 мм и R3,5 мм. На каждой окружности твердость измеряли в восьми равнорасположенных точках. Контрольные сечения располагали на прямых участках трубы, чтобы исключить возможные искажения из-за влияния перераспределения твердости при гибке. Кроме того, для труб в состоянии поставки (перед установкой на стенд) и после наработки 540 часов определяли микроструктуру материала. Все образцы были поставлены на стенд одновременно. При общем начале отсчета наработки фактически для каждого образца существовало два момента для измерения характеристик материала: момент перед установкой (труба в состоянии поставки) и момент после снятия при конкретной наработке. Это обстоятельство, строго говоря, позволяет оценивать только один временной промежуток - одно значение наработки - для каждого образца, то есть график имеет только две точки. Распространяя выводы на все значения наработок, можно получить, с некоторой погрешностью, закономерность изменения характеристик в пределах наибольшей достигнутой наработки. Результаты и обсуждение Изменение микроструктуры материала В состоянии поставки трубы имели сорбитно-перлитную микроструктуру балла 8 (рис. 1), после наработки микроструктура стала преимущественно сорбитной балл 8 (рис. 2 и 3). Изменение пределов прочности и текучести В табл. 2 представлены результаты измерений предела прочности, предела текучести и относительного удлинения образцов при различной наработке. Изменение твердости в поперечном сечении В табл. 3 представлены результаты испытания твердости в поперечных сечениях топливопроводов на радиусе R2 мм. В табл. 4 представлены результаты испытания твердости в поперечных сечениях топливопроводов на радиусах R3,5 мм, соответственно. Поведение материала трубы при длительном нагружении внутренним гидравлическим давлением 1600 кг/см2 имеет особенности, которые могут быть объяснены только путем дополнительных исследований. К таким особенностям относится, в частности, характер изменения механических характеристик. До уровня наработки 1103 ч наблюдается монотонное уменьшение значений всех характеристик. При этом фиксируется уменьшение и коэффициента пластичности. Условно это можно трактовать, как разупрочнение трубы. Известно, что в нефтегазовом комплексе нормируется предельное значение коэффициента пластичности. Ранее считалось, что «отношение предела текучести к временному сопротивлению должно быть не больше 0,75 для углеродистых сталей, 0,8 - для низколегированных, 0,85 - для термически упрочненной стали» [12]. В настоящее время, в соответствии с руководящими документами ПАО «ГАЗПРОМ», для класса материалов, близкого к сталям, из которых изготавливаются ТВД, коэффициент пластичности не должен превышать 0,9. В ходе испытаний отмечено незначительное уменьшение коэффициента пластичности до наработки 1103 ч, но затем наблюдается резкое увеличение за счет роста предела текучести при сохранении неизменным предела прочности. Это обстоятельство пока трудно объяснить. Испытания твердости в поперечном сечении образцов хорошо демонстрируют фактический разброс характеристик холоднодеформированных стальных бесшовных труб, в том числе в состоянии поставки. Для испытаний были взяты трубы одной партии поставки, изготовленные из заготовок одной плавки по единой технологии на одном и том же оборудовании. Тем не менее, видно, что разброс значений твердости при нулевой наработке, то есть в состоянии поставки трубы, не только существует, но и имеет различное стандартное отклонение для всех образцов. При наработке наблюдается увеличение твердости в поперечных сечениях ТВД. Это хорошо заметно по изменению уровней средней по сечению твердости. Общим для образцов оказалось увеличение с ростом наработки значений стандартного отклонения твердости от среднего по сечениям. Этот результат противоречит данным, полученным при испытаниях топливопроводов из стали St52 [11]. Нельзя также считать, что для испытывавшихся топливопроводов подтвердился вывод, сделанный в работе [11], о большем выравнивании твердости на радиусе R2 мм, по сравнению с радиусом R3,5 мм. При наработке 540 ч стандартное отклонение твердости на радиусе R3,5 мм почти в 4 раза меньше, чем на радиусе R2 мм. Это обстоятельство может быть связано с неравномерностью механических свойств не только в поперечных, но и в продольных сечениях трубы. В ходе испытаний все образцы сохранили герметичность, случаев разрушения не было. Образцы снимались с испытаний при достижении разности в наработке ≈ 500 ч. Это обстоятельство, наряду с значением коэффициента пластичности при наработке 1520 ч, говорит о том, что в условиях безмоторного стенда стальные бесшовные трубы размерности 8×вн.3 производства ОАО «ПНТЗ» из материала, имеющего химический состав по табл. 1, выдерживают длительную работу при давлении 1600 кг/см2. Насколько можно судить по данным испытаний одного образца, наработка 1520 ч не является предельной для данных труб. Безусловно, для большей обоснованности такого вывода, необходимо проведение длительных испытаний, во-первых, на двигателе и, во-вторых, расширенной выборкой - при большем числе образцов. Это также будет полезно для определения предельных значений механических характеристик материалов. Заключение Выводы по результатам проведенных работ носят предварительный характер, однако намечают направления дальнейших исследований. Таблица ١ Химический состав материала труб Рис. 1. Микростуктура материала трубы в состоянии поставки Рис. 2. Микростуктура материала трубы после наработки 540 часов Рис. 3. Микростуктура материала трубы после наработки 1103 часа Таблица ٢ Изменение механических свойств материалов Таблица ٣ Твердость на радиусе R٢ мм Таблица ٤ Твердость на радиусе R٣,٥ мм Автор выражает благодарность инженеру-исследователю И.С. Шахуриной и начальнику центра исследований и разработок ОАО «ПНТЗ» А.В. Серебрякову за помощь в проведении работ.
×

About the authors

V. O Sveshchinskij

Altai factory of precision products

Email: sveschinsky@yandex.ru
PhD in Engineering Barnaul, Russia

References

  1. ГОСТ Р ИСО 8535-1-2017. Двигатели дизельные. Стальные трубы для топливопроводов высокого давления. Часть 1. Требования к бесшовным холоднодеформируемым трубам. М.: Стандартинформ, 2017. 16 с.
  2. СТО Газпром 2-2.3-095-2007. Методические указания по диагностическому обследованию линейной части магистральных газопроводов. М., 2007.
  3. ОСТ 153-39.4-010-2002. Методика определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений. М., 2002. 110 с.
  4. ТУ 24.20.13.140-388-00186619-2017. Трубы стальные бесшовные высокого давления для топливопроводов двигателей внутреннего сгорания. Технические условия. Первоуральск: ОАО «ПНТЗ», 2017. 12 с.
  5. Брюшко В.И. Оценка состояния металла магистральных и технологических трубопроводов: дис. … канд. техн. наук. Тольятти, 2006. 149 с.
  6. Кузьбожев А.С. Материаловедческие критерии оценки надежности металла, методы прогнозирования ресурса газотранспортных систем: автореф. дис. … докт. техн. наук. М., 2008. 46 с.
  7. Мирошниченко С.В. Дисперсия твердости заготовки, как критерий оптимальности накопленной деформации // Физика и техника высоких давлений. 2005. Том 15. № 4. С. 72-75.
  8. Михалев А.Ю. Разработка метода оценки остаточного ресурса основного металла труб нефтегазопроводов на основе измерения твердости с малой нагрузкой: автореф. дис. … канд. техн. наук. Ухта, 2012. 23 с.
  9. Пояркова Е.В., Кузеев Е.Р. Макромасштабные уровни диагностики механического состояния металла высокотемпературных трубопроводов //
  10. Электронный научный журнал «Нефтегазовое Дело». 2015. № 4. С. 283-312.
  11. Сафарова К.Н. Структурно-энергетическое состояние основного материала сварных труб газопроводов и долговечность // Всероссийская научно-техническая конференция студентов Студенческая научная весна 2012: Машиностроительные технологии. URL: http://studvesna.ru/db_files/articles/572/thesis.pdf.
  12. Свещинский В.О. и др. Некоторые предварительные результаты исследования влияния многоцикловой нагрузки на твердость топливопровода высокого давления // Тракторы и сельхозмашины. 2018. № 2. С. 54-58.
  13. Алиев Р.А. и др. Трубопроводный транспорт нефти и газа: учеб. для вузов М.: Недра, 1988. 368 с.

Statistics

Views

Abstract: 57

PDF (Russian): 14

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Sveshchinskij V.O.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies