Определение ресурса безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением с дефектами швов приварки патрубков штуцеров

На правах рукописи

САБИТОВ МАРАТ ХИСМАТУЛЛОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОСУДОВ,

РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С ДЕФЕКТАМИ ШВОВ ПРИВАРКИ

ПАТРУБКОВ ШТУЦЕРОВ

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(в химической отрасли промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный ис следовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»), г. Казань

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Поникаров Сергей Иванович

Официальные оппоненты Наумкин Евгений Анатольевич, доктор техниче ских наук, доцент ФГБОУ ВПО «Уфимский государ ственный нефтяной технический университет», до цент кафедры «Технологические машины и оборудо вание»

Бережной Дмитрий Валерьевич, кандидат физико – математических наук, доцент ФГАОУ ВПО «Казан ский (Приволжский) федеральный университет», до цент кафедры теоретической механики

Ведущая организация Открытое акционерное общество «Научно – иссле довательский и конструкторский институт химическо го машиностроения» (ОАО «НИИхиммаш»), г. Москва

Защита диссертации состоится 27 ноября 2013 года в 1600 часов на заседании дис сертационного совета Д 212.080.02 Казанского национального исследовательского тех нологического университета по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, А-330 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КНИТУ».

Автореферат разослан 25 октября 2013 г.

Ученый секретарь Степанова Светлана диссертационного совета Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Сосуды и аппараты, работающие под давлением, являются основным элементом различных технологических систем химических предприятий и предприятий смежных отраслей промышленности. Безопасная эксплуатация сосудов обеспечивает функциони рование и развитие современных предприятий. На сегодняшний день остаются до конца не решенными задачи оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов. Актуальность данных задач обусловлена в первую очередь эко номическими причинами: высокой стоимостью оборудования и необходимостью экс плуатации стареющего парка оборудования отработавшего проектный ресурс, возрос шей конкуренцией в условиях рыночной экономики, требующих снижения себестоимо сти производства, ухудшением ремонтной базы предприятий и снижением производст венной дисциплины.

В связи с чем, разработка научно-методических основ для оценки остаточного ре сурса сосудов, работающих под давлением, гарантирующих безопасную эксплуатацию, является чрезвычайно актуальной.

Объектом настоящего исследования являются штуцерные узлы сосудов, работаю щих под давлением. Практика проектирования и эксплуатации сосудов, работающих под давлением свидетельствует, что по уровню напряженно – деформированного со стояния узлов пересечения патрубков штуцеров с обечайками и днищами приходится оценивать остаточный ресурс сосуда в целом, особенно в условиях малоциклового на гружения, в то же время анализ напряженно-деформированного состояния указанных узлов является сложной исследовательской проблемой, даже при отсутствии каких – ли бо дефектов.

Анализ причин аварий и инцидентов при эксплуатации сосудов, работающих под давлением, показывает, что в большинстве случаев опасными дефектами являются ост рые дефекты в местах конструктивной концентрации напряжений, возникшие при изго товлении и эксплуатации - дефекты сварки и коррозионные язвы, способные привести к разгерметизации и разрушению сосудов.

Для полной оценки остаточного ресурса оборудования, работающего под давлени ем, необходимо располагать комплексом методических и программных документов, по зволяющим провести оценку напряженно - деформированного состояния в зонах конст руктивной концентрации напряжений сосудов с учетом наличия трещиноподобных де фектов и их влияния на прочность конструкции в целом.

Существующие на сегодняшний день нормативные документы по расчету сосудов, работающих под давлением, не позволяют провести оценку прочности с учетом обна руживаемых дефектов, в связи с чем, исследование, посвященное анализу напряженно – деформированного состояния сосудов с трещиноподобными дефектами в штуцерных узлах является актуальным и отвечающим потребностям промышленности.

Цель работы – разработка методики оценки прочности и остаточного ресурса со судов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением с учетом наличия трещиноподобных дефектов в штуцерных узлах с использованием метода ко нечных элементов, реализуемого в компьютерном комплексе «ANSYS» и результатов экспериментальных исследований трещиностойкости сталей.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

Основные задачи

работы:

1. Анализ существующих методов оценки и результатов экспериментальных ис следований напряженно – деформированного состояния штуцерных узлов сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением;

2. Анализ экспериментальных исследований влияния технологических и эксплуа тационных дефектов на прочность сосудов, работающих под давлением и существую щих методов оценки работоспособности сосудов с дефектами;

3. Разработка алгоритма построения конечно - элементной модели штуцерного уз ла в цилиндрической обечайке, позволяющего учесть особенности конструктивного оформления узла, геометрию и расположение трещиноподобных дефектов, механиче ские характеристики материала, действующие нагрузки;

4. Разработка алгоритма расчета параметров механики разрушения для оценки прочности штуцерных узлов с трещиноподобными дефектами;

5. Оценка достоверности получаемых результатов напряженно – деформированно го состояния путем сравнения с результатами аналитических расчетов и результатами экспериментальных исследований;

6. Анализ упруго – пластического деформирования штуцерных узлов содержащих трещиноподобные дефекты в условиях циклического нагружения внутренним давлени ем;

7. Практическое применение конечно – элементной модели для оценки остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением.

Методом решения поставленных задач явилось математическое моделирование с использованием метода конечных элементов.

Научная новизна.

1. Разработан алгоритм построения конечно – элементной модели штуцерных узлов с учетом конструктивных параметров, механических свойств, нагрузок с включением в модель трещинопобных дефектов;

2. Впервые разработан и апробирован алгоритм расчета параметров трещиностой кости - интеграла Райса-Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений тре щин в штуцерном узле для условий упруго – пластического циклического деформиро вания;

3. Разработана методика оценки остаточного ресурса сосудов на основе получае мых параметров трещиностойкости с использованием результатов экспериментальных исследований скорости роста трещин в конструкционных сталях и их сварных швах.

Достоверность основных положений и выводов обеспечивается использованием закона сохранения энергии при формировании системы уравнений метода конечных элементов и определении параметров трещиностойкости, сравнительным анализом рас четных результатов с результатами экспериментальных исследований напряженно – де формированного состояния натурных сосудов, работающих под давлением и использо ванием экспериментальных результатов определения параметров трещиностойкости конструкционных сталей и их сварных швов.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм построения конечно – элементной модели штуцерного узла в цилинд рической обечайке;

2. Алгоритм расчета параметров трещиностойкости – коэффициента интенсивности напряжений и интеграла Райса-Черепанова для трещин в условиях циклического упруго - пластического нагружения;

3. Результаты оценки напряженно – деформированного состояния штуцерных уз лов с трещиноподобными дефектами в условиях циклического нагружения внутренним давлением с использованием интеграла Райса – Черепанова и коэффициента интенсив ности напряжений;

4. Методика оценки остаточного ресурса на основании расчетных величин пара метров трещиностойкости и результатов экспериментальных исследований скорости роста трещин в конструкционных сталях и сварных швах.

Практическая ценность результатов работы:

1. В совершенствовании существующих методов оценки напряженно – деформиро ванного состояния сосудов, работающих под давлением в части уточненных расчетов на прочность штуцерных узлов с учетом наличия в конструкции укрепляющих элементов;

2. В совершенствовании существующих методов вычисления коэффициентов ин тенсивности напряжений, характеризующих напряженно - деформированное состояние трещиноподобных дефектов в сварных швах сосудов, работающих под давлением в час ти учета пластического деформирования и его влияния на расчетные коэффициенты ин тенсивности напряжений;

3. Методика расчета, рассмотренная в работе, разработана для использования экс пертными организациями при оценке остаточного ресурса сосудов отработавших про ектный ресурс в тех случаях, когда имеются условия для появления усталостных трещин – циклическое нагружение внутренним давлением, дефекты сварных швов, а также не обходима оценка прочности по критерию хрупкого разрушения.

Реализация и внедрение результатов работы. Программные и методические разработки диссертации используется экспертной организацией ЗАО «Инженерно – технический центр «Регионтехдиагностика» (г.Казань) при определении остаточного ресурса и для обоснования необходимости ремонта оборудования (справка №П-84-13 от 25.06.2013), экспертной организацией ООО «Анализ и экспертиза» (г.Казань) при определении остаточного ресурса оборудования (справка №260-1/13 от 27.06.2013).

Программные и методические разработки диссертации используются при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Расчет сосудов нефтегазопереработки методом конечных элементов» образовательной программы «Безопасная эксплуатация оборудования производств глубокой переработки углеводородного сырья» по направлению подготовки магистров 151000. «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (справка №110 4006/1-6-4/10 от 16.10.2013). Копии документов приведены в Приложении к диссертации.

Апробация работы.

Основные результаты исследований, представленные в работе, докладывались на на учных сессиях ФГОУ ВПО КНИТУ (Казань, 2002-2012), на Межрегиональной научно – практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» (г.Нижнекамск, 2004), Международной научной конференции «Теорети ческие основы создания, оптимизации и управления энерго – и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (г.Иваново, 2007);

XXV и XXVI Международной науч ной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2012-2013 г.) Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в печатных работах и тезисах докладов. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов к работе, списка ис пользованной литературы, включающего 87 наименований и приложений. Работа изло жена на 135 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 15 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

Первая глава содержит краткий литературный обзор публикаций, посвященных решаемым задачам.

Рассмотрен принцип метода компенсации вырезанного сечения, применяемый в нормах расчета укрепления отверстий, приближенный метод расчета напряжений в пе ресекающихся оболочках с использованием уравнений линейной теории оболочек.

Проведен обзор работ посвященных применению метода конечных элементов для решения задач пересекающихся оболочек, специализированных вычислительных про грамм на его основе, а также варианты использования различных конечно – элементных моделей.

Рассмотрены работы, содержащие результаты исследований напряженно – дефор мированного состояния сосудов с штуцерами при малоцикловом нагружении внутрен ним давлением, показано, что в зоне сопряжения патрубков с обечайками и днищами наблюдается режим нагружения близкий к жесткому с постоянным размахом деформа ций, приводящий к усталостному разрушению с образованием трещин. Определение числа циклов нагружения проводится с использованием кривых усталости построенных по результатам циклического испытания гладких образцов с контролируемой деформа цией.

Рассмотрены статистические исследования дефектности и повреждаемости экс плуатируемых сосудов, при этом основная доля выявленных дефектов приходится на дефекты сварки. Расчетное обоснование работоспособности сосудов с дефектами про водится с использованием критериев механики разрушения - коэффициентов интенсив ности напряжений (КИН) характеризующих распределение напряжений и деформаций у вершины трещины и энергетического, оценивающего энергию деформации у вершины трещины – интеграла Райса – Черепанова. Практическую значимость имеют работы по исследованию скорости распространения усталостных трещин при циклическом нагру жении, использование эмпирических зависимостей скорости роста трещины от размахов КИН и КИД (коэффициентов интенсивности деформаций) дают возможность определе ния числа циклов затрачиваемых на развитие трещин.

Во второй главе приводится разработка основных алгоритмов для проведения расчетного анализа штуцерных узлов в цилиндрической обечайке применительно к компьютерному комплексу «ANSYS». В основу рациональной расчетной схемы для проведения упруго – пластического анализа НДС штуцерных узлов с учетом конструк тивных особенностей, схемы нагружения и дефектности сварных швов положен алго ритм с использованием процедуры подмоделирования (рисунок 1).

Рисунок 1 Подконструкция При использовании процедуры подмоделирования сосуд с патрубком предвари тельно упрощенно моделируется с использованием оболочечных элементов с сохране нием результатов решения в форме массивов перемещений точек срединной поверхно сти оболочек. Затем подробно моделируется сегмент оболочки содержащий патрубок и сварной шов – подконструкция, перемещения на границах подконструкции задаются из решения оболочечной модели в зависимости от координат узлов конечных элементов принадлежащих поверхностям П2. В плоскостях симметрии сегмента П1 перемещения узлов конечных элементов в направлении нормальном к сечению задаются равными ну лю. Перемещения на границах подконструкции:

u n n 2 f u об, xn, yn, z n, где n номер узла подконструкции;

xn, yn, zn – координаты узла подконструкции, u n – перемещения узла в заданной системе координат;

u об – вектор перемещений узлов оболочечной модели.

Условия симметрии:

u n n1 0.

u n Упруго – пластический расчет с заданием диаграммы деформирования стали про водится с использованием Метода Ньютона-Рафсона. Система разрешающих уравнений метода конечных элементов имеет вид:

К i ui F Fi, F F, K I k ei, a nr a a e T k ei B N Dep BN dV, (1) Ve Fеа N PS dS N PV dV BN Dep T dV, T T T Se Ve Ve где К i - матрица жесткости для итерации i;

u - вектор приращения узловых пере мещений конструкции;

F a - вектор заданной узловой нагрузки;

Fi nr - «возвратный»

вектор узловой нагрузки соответствующий конфигурации u i ;

k ei, Fеа - матрица же сткости элемента для итерации i и вектор заданной узловой нагрузки элемента;

N матрица аппроксимирующих функций элемента;

B - матрица дифференциальных опе раторов;

Dep - матрица, связывающая приращения напряжений и деформаций в упруго – пластической области;

PS,PV - векторы приведенных к узлам поверхностных и объ емных сил;

T - вектор температурной деформации.

Последовательность решения:

1) Принимается u 0 из предыдущего шага нагрузки, либо на первом шаге u 0 0 ;

2) Вычисление К i и получение матрицы Fi nr по конфигурации вектора u i :

F B D Bu dV ;

Т nr i ep i V 3) Вычисление ui из системы уравнений (1);

4) Проверка сходимости;

5) Суммирование ui с u i в случае если сходимость не достигнута и повторение пунктов 1 4.

Проверка условия сходимости.

- сходимость по невязке нагрузки:

Ri R Rref, - сходимость по приращению перемещений:

u i u u ref, Ri = R 2 - норма остаточного вектора;

где Ri Fi a Fi nr - остаточный вектор;

j - норма вектора приращения перемещений;

Rref F a ;

u ref u i ;

u i = u 2j R, u - коэффициенты точности вычисления, принимаются равными 0,001.

Для определения требуемого размера элементов вдоль образующей оболочек и числа элементов по толщине стенки подмодели в области пересечения проведено срав нение решения задачи для жестко заделанной по краю цилиндрической оболочки на груженной внутренним давлением в упругой постановке в компьютерном комплексе «ANSYS» с известным решением по теории оболочек. Лучшее соответствие в сравни тельном анализе достигнуто при использовании оболочечных квадратичных элементов shell93 с размерами сторон элементов 0,5s вдоль образующей у заделки в случае оболо чечной схемы расчета. В трехмерной задаче при аппроксимации по толщине стенки в месте заделки, лучшее соответствие результатов достигается при использование шести гранных линейных элементов solid45 c равными расстояниями между узлами вдоль об разующей и по толщине оболочки. При этом число элементов по толщине оболочки принимается не менее 4 при s/D0,05 и более 4 при s/D0,05.

На базе детальной трехмерной подмодели бездефектного узла реализуется модель с трещиной, представляющая идеализированную расчетную форму дефектов сварного шва с учетом их ориентации относительно шва и по толщине стенки оболочек. При вы боре размеров конечных элементов вблизи вершины расчетной трещины учтены требо вания механики разрушения, размер сторон элементов принимается не более 1/40 длины трещины, для учета сингулярности напряжений вершина трещины моделируется с ис пользованием сингулярных элементов.

В работе рассмотрен алгоритм определения расчетных величин коэффициентов интенсивности напряжений K I прямым методом в рамках концепции квазихрупкого разрушения, когда предполагается что размеры пластической зоны в вершине трещины малы по сравнению с толщиной стенки сосуда и для расчета величин КИН используют ся выражения для определения перемещений в вершине трещины, полученные с приме нением линейной теории упругости.

В связи с тем, что в реальных условиях в штуцерных узлах размер пластической зоны распределен по всей толщине оболочек в качестве основного параметра для оцен ки конструкции с трещиной в работе принят энергетический критерий механики разру шения, определяющий степень уменьшения потенциальной энергии конструкции в ре зультате подрастания трещины – J - интеграл Райса-Черепанова. Компоненты интеграла в плоскости поперечного сечения трещины определяются выражениями:

u u J x Wn x ij i ni ds, J y Wn y ij i ni ds, y x Г Г где Г – произвольный контур интегрирования;

W - плотность энергии деформации;

ij компоненты тензора напряжений;

u i - перемещения в точке контура;

ni - компоненты нормали к контуру в рассматриваемой точке;

а) б) в) Рисунок 2 Вычисление компонент J – интеграла: а) контур интегрирования вокруг вершины трещины;

б) смещение вдоль оси x при численном дифференцировании;

в) смещение вдоль оси y при численном дифференцировании Компоненты J x и J y можно записать:

u y u y u u J x Wn x (t x x t y ) ds, J y Wn y (t x x t y ) ds, (2) x y x y Г Г где t x x n x xy n х проекция вектора напряжений на ось x в рассматриваемой точке контура Г, t y y n y xy n y проекция вектора напряжений на ось y.

Компоненты J интеграла определяются непосредственным численным интегриро ванием выражений (2).

Для получения частных производных перемещений вдоль осей x и y проводится численное дифференцирование, осуществляемое сдвигом контура на величину 0,5x и 0,5y вдоль соответствующих осей (рисунок 2.б, в) с получением массивов значений перемещений в точках контура при каждом смещении, величины x и y при числен ном дифференцировании принимаются равными 1% длины контура.

Соответственно массивы частных производных перемещений в точках контура:

u xi u xi2) u xi ) ( (, u xi ) u xi (, u xi2) u xi (, Г x / 2 Г x / x x u yi u yi u (yi) (2), u (yi) u yi, u (yi2) u yi, x x Г x / 2 Г x / u xi u xi u xi ) ( 2) (, u xi ) u xi (, u xi2) u xi (, Г y / 2 Г y / y y u yi u yi u (yi) (2), u (yi ) u yi, u (yi2) u yi.

y y Г y / 2 Г y / Для каждого шага нагружения численным интегрированием определяются компо ненты интеграла Райса-Черепанова на стадиях нагрузки и разгрузки и соответствующие размахи компонентов:

J x J xнагр J xразгр, J y J y J y.

нагр разгр По размахам компонентов J - интеграла в установившемся режиме циклического нагружения определяется размах КИН:

E, K I J x J y J x J y где Е = Е для плоского напряженного состояния и E E /(1 2 ) в условиях плоской деформации, Е - модуль упругости, - коэффициент Пуассона.

При анализе модели штуцерного узла, содержащего трещину, реализуется проце дура программного выбора узлов контура вокруг вершины расчетной трещины с запи сью массивов результатов решения в результирующий файл.

Третья глава посвящена исследованию процесса упругопластического деформи рования штуцерных узлов при статическом и циклическом нагружении.

Напряженно-деформированное состояние штуцерных узлов исследовалось с при влечением опубликованных экспериментальных исследований Окриджской националь ной лаборатории США (ORNL) и исследованиями Научно – технического института Манчестерского университета (UMIST). Анализ результатов расчета и тензометрии дает возможность заключить, что зоны максимальных деформаций и напряжений в штуцер ных узлах с угловыми швами локализуются в месте пересечения оболочек, в плоскости проходящей через оси обечайки и патрубка, пиковые напряжения могут возникать как на внутренней поверхности оболочек, так и снаружи в точках перехода от шва к основ ному металлу.

Для выявления закономерностей упруго – пластического деформирования штуцер ных узлов в условиях циклического нагружения в работе проводится упруго - пластиче ский расчет пяти циклов нагружения штуцерного узла внутренним давлением.

На рисунке 3 приведены зависимости относительных напряжений Т от де формаций в наиболее нагруженных точках неукрепленного штуцерного узла при гео метрических параметрах: s/D=0,01;

d/D=0,3;

s1/s=0,63;

s, s1 – толщины стенок обечайки и штуцера соответственно;

d, D – внутренние диаметры штуцера и обечайки;

Т - предел текучести стали;

материал – Ст.20. Нагружение проводится внутренним давлением рав ным допускаемому [p] по нормам на укрепление отверстий.

В первом полуцикле нагружения в точках наиболее нагруженного сечения проис ходит необратимая пластическая деформация, при последующих циклах нагружения на блюдается циклическое пластическое деформирование характеризуемое шириной петли упруго – пластического гистерезиса на рисунке 3 б. Для исключения циклического пла стического деформирования, приводящего к развитию усталостных трещин в течение небольшого числа циклов нагружения, размах изменения эквивалентных напряжений, определяемый по теории максимальных касательных напряжений в установившемся режиме в наиболее нагруженных точках конструкции не должен превышать удвоенного предела текучести:

экв 2 T, (3) где T - предел текучести.

При соблюдении условия (3) в последующих циклах нагружения конструкция деформируется упруго.

0, 0, 0,2 1,,% -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0,2 0 0,2 0, -0, 0, -0,,% -0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 - кольцевые -0, -1, осевые -1,4 - а) б) Рисунок 3 Диаграммы напряженно – де формированного состояния штуцерного уз ла: а) компоненты напряжений в точке т.1;

б) – эквивалентные напряжения в точке т.1;

в) – накопленная пластическая деформация в узле 0,1% в) Сопоставление результатов расчета предельного давления определяемого по ус ловию (3) с величиной допускаемого давления по стандарту на укрепление отверстий приведено на рисунке 4, коэффициент снижения прочности, вызванный циклическим пластическим деформированием конструкции при заданных геометрических парамет рах, определяется уравнением линии огибающей нижние точки на графике.

Согласно проведенных расчетных исследований в тонкостенных сосудах при на грузках близких к допускаемым нормативным в узлах приварки патрубков штуцеров происходит циклическое пластическое деформирование с образованием трещин мало циклового разрушения. Оценку долговечности сосуда объективно проводить с исполь зованием закономерностей возникновения и развития усталостных трещин.

1, pпр/[p] 0, -0, y = 0,73(d/D) 0, 0, 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0, d/D Рисунок 4 Отношение предельного давления рпр по условию (1) к допускаемому дав лению [p] по нормам на укрепление отверстий при s D 0, В четвертой главе решается задача расчетного определения параметров трещи ностойкости и оценки на их основе прочности и остаточного ресурса сосудов, работаю щих под давлением.

Проведен сравнительный анализ результатов определения размаха КИН в ком пьютерном комплексе «ANSYS» с зависимостями ГОСТ 25.506-85 для трех видов об разцов установленных стандартом, применяемых при оценке критических параметров механики разрушения материала сосудов, работающих под давлением (рисунок 5).

0 2l/b 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0, KI = f ( Jx, Jy ) Мураками* ГОСТ 25.506- Р=6,25КН;

b=50мм;

t=5мм.

а) P=0,033МН;

b=100мм;

t=50мм.

l/b 0,3 0,4 0,5 0, KI = f ( Jx, Jy ) Мураками* ГОСТ 25.506- б) P=0,025МН;

b=100мм;

t=50мм.

l/b 0,2 0,3 0,4 0,5 0, KI = f ( Jx, Jy )) Мураками* ГОСТ 25.506- в) Рисунок 5 Конструкция образцов и результаты определения размахов КИН: а) обра зец с центральной трещиной;

б) компактный образец на внецентренное растяжение;

в).– образец на трехточечный изгиб * Мураками Ю. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: В 2 т. Т.1. / под ред. Ю. Мураками. – М.: Мир, 1990. – 448 с.

Результаты, получаемые по предложенному алгоритму вычисления K I с исполь зованием интеграла Райса-Черепанова при этом согласуются с эмпирическими выраже ниями ГОСТ 25.506-85 и выражениями приведенными в работах зарубежных авторов.

При выборе расчетной схемы трещиноподобных дефектов в штуцерном узле сле дует исходить из условий возникновения дефектов и анализа характера разрушения уз лов вызванных их наличием. Технологические дефекты сварки, приводящие к разруше нию, располагаются на границе сварных швов и основного металла и ориентированы вдоль линии шва. Исходя из размеров дефектов вдоль линии шва, их можно рассматри вать как протяженные, когда длина дефектов превышает глубину и локальные, когда длина и глубина соизмеримы. Расчетная схема трещиноподобных дефектов представля ется в виде трещины без учета контакта поверхностей.

В работе рассмотрены кольцевые трещины имитирующие подрез по всей кромке шва для штуцеров трех типоразмеров в цилиндрической обечайке с соотношением s / D 0,01. Упруго-пластический расчет для кольцевых трещин глубиной 0,25s (рису нок 6) показывает увеличение размаха КИН K I вызванное предварительным пластиче ским деформированием в вершине трещины, величина КИН определяемая упругим рас четом без учета упруго – пластического поведения материала не идет в запас прочности.

Величины K I с увеличением диаметра штуцеров увеличивается пропорционально уве личению величины напряжений в расчетном сечении конструкции.

0 15 30 45 60 75 0 15 30 45 60 75 угол, градусы угол, градусы Dу500 упругий расчет Dу500 упруго-пласт. расчет Dу500 упругий расчет Dу500 упруго-пласт. расчет Dу250 упругий расчет Dу250 упруго-пласт. расчет Dу250 упругий расчет Dу250 упруго-пласт. расчет Dу100 упругий расчет Dу100 упруго-пласт. расчет Dу100 упругий расчет Dу100 упруго-пласт. расчет а) б) Рисунок 6 Результаты упруго-пластического расчета K I : а) расчетная тре щина по кромке углового шва в обечайке;

б) расчетная трещина по кромке углового шва по штуцеру К локальным дефектам относятся коррозионные язвы и технологические дефекты сварки – поры и шлаковые включения. Поверхностные трещины при росте от локальных дефектов стремятся приобрести полуэллиптическую форму. Исходя из концепции «Течь перед разрушением» максимально допустимая глубина расчетной трещины с учетом кратного коэффициента запаса принимается равной l 0,25s, где s - толщина стенки со суда. Поверхностные трещины при l 0,25s имеют размеры задаваемые отношением l / a 2 / 3, где а - полудлина трещины.

В работе проведен сравнительный анализ полуэллиптических трещин имити рующих локальные дефекты в наиболее опасных, исходя из анализа разрушения реаль ных сосудов, сечениях цилиндрической обечайки с штуцерным узлом. Согласно прове денных расчетных исследований, максимальные величины K I имеют трещиноподоб ные дефекты ориентированные вдоль образующей обечайки и располагаемые с сечениях нормальных к действующим максимальным главным напряжениям 1, На основании максимальных рассчитанных величин K I в наиболее нагруженном сечении с расчетной трещиной, проводится проверка прочности элемента сосуда и оп ределяется расчетная долговечность сосуда.

Статическая прочность проверяется выполнением условия:

K I K I, (4) где K I K C / n - допускаемый коэффициент интенсивности напряжений;

K C - вязкость разрушения (ГОСТ 25.506-85);

n - коэффициент запаса, n= Определение расчетного числа циклов нагружения штуцерного узла с трещиной осуществляется с использованием уравнения Пэриса – Махутова приведенного в рабо тах Махутова Н.А. Уравнение описывает кривую роста трещины для материала сосуда и его сварных швов, эмпирические коэффициенты уравнения получены при испытаниях образцов с трещиной (по ГОСТ 25.506-85) в условиях жесткого симметричного режима циклического нагружения с заданной амплитудой деформаций.

dl С К Ie, (5) dN где К Ie - коэффициент интенсивности деформаций;

С, - коэффициенты, получаемые статистической обработкой кривых усталостного разрушения образцов, соответствую щей по структуре группы сталей в работах Карзова/Г.П.: С =0,0029388 м1/2, =2,22 – для низколегированных перлитных сталей;

С =0,0021344 м1/2, =2,01 – для ферритно перлитных сталей;

С =0,0001423 м1/2, =2,34 – для аустенитных хромникелевых ста лей;

Начальный размер расчетной трещины l 0 при интегрировании уравнения (5) оп ределяется величиной КИН начала страгивания трещины по эмпирическому уравнению:

K th 12,7 0,006 0, 2 (11,37 0,0065 0, 2 ) R, (6) где R K min K max - коэффициент асимметрии, K Im in, K Im ax - минимальная и максимальная величины коэффициента интенсивности напряжений в цикле соответственно.

При наличии выявленных поверхностных дефектов при интегрировании уравне ния (5) начальный размер расчетной поверхностной трещины l 0 принимается равным глубине дефекта.

Расчетное число циклов N P определяется интегрированием уравнения (5):

lK lK l К-0,5 l 0-0, 1 dl dl, NP l l 0 C K Ie C B Y 1 0, C B Y l где Y - функция, учитывающая тип и расположение трещины, - размах номинальных напряжений в сечении с трещиной, В – коэффициент перехода от напряжений к дефор мациям.

Программно – методические разработки использовались для проведения прове рочных прочностных расчетов сосудов, работающих под давлением при определении остаточного ресурса. В работе приводятся результаты экспертного технического диаг ностирования и расчета серийных газосепараторов и пылеуловителей используемых для очистки природного и попутного нефтяного газа.

В ходе экспертного технического диагностирования в 2013 г. газосепараторов из готовленных в 1985.г. на Черновицком машиностроительном заводе (Украина) специа листами ЗАО «ИТЦ «Регионтехдиагностика» (г.Казань) были обнаружены трещины в угловых сварных швах приварки штуцеров предназначенных для присоединения кон трольно – измерительных приборов. Наибольшую глубину имела трещина в штуцерном узле, содержащем внутренние дефекты (рисунок 7).

а) б) Рисунок 7 – Дефекты углового сварного шва штуцерного узла газосепаратора: а) тре щина в угловом сварном шве штуцера;

б) поры на глубине 8 мм при выборке шва Согласно анализа журналов регистрации рабочих параметров, газосепараторы экс плуатируются в условиях постоянных перепадов рабочего давления. Для выделения от дельных циклов приложения давления проводится схематизация процесса нагружения с выделением циклов давления определенного размаха и подсчета их количества. Для вы деленных циклов давления расчетом определялись K I. Прогноз роста поверхностной трещины после проведенного ремонта проводится интегрированием с повторением по лученной схемы нагружения и коррекцией длины трещины после каждого цикла при ложения давления li 1 li dl. Увеличение трещины на величину dl в каждом шаге при ложения давления определяется по уравнению (5). Прогнозируемая кривая роста тре щины приведена на рисунке 8.

глубина трещины, мм 15.07.2013 27.11.2014 10.04.2016 23.08.2017 05.01. Рисунок 8 – Прогноз роста трещины Принятый предельный размер трещины lк=4 мм достигается к моменту следующего испытания сосуда пробным давлением при техническом освидетельствовании в августе 2017 года, на кривой роста трещины (рисунок 8) нагружение давлением гидроиспытания приведет к скачку в росте трещины. Остаточный ресурс сосуда после ремонта принят равным 4 годам.

В работе рассматриваются пылеуловители изготовленные в 1978 году на том же Черновицком машиностроительном заводе (Украина). Пылеуловители имеют внутрен ние дефекты сварных швов выявленные в ходе проведения первого технического диаг ностирования в 1996 году ТОО «Центр ДиС» (г.Казань) совместно с АО «НИИхиммаш»

(г.Москва). Мониторинг в течение 16 лет роста трещин не выявил. Условия работы пы леуловителей отличаются от условий работы газосепараторов, сосуды эксплуатируются в условиях статического нагружения внутренним давлением.

Оценка прочности сосуда с дефектами проводится на основании расчетных схем с внутренними и поверхностными трещинами по величинам размахов коэффициентов ин тенсивности напряжений и критерию статической прочности (4), результаты расчета размахов коэффициентов интенсивности напряжений приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты расчета пылеуловителя.

K I, МПа м поверхностная трещина l=0,25s внутренняя трещина p, МПа кольцевой шов продольный шов кольцевой продольный угловой шов шов шов штуцера наружная внутренняя наружная внутренняя поверхность поверхность поверхность поверхность рабочее давление 5,5 4,76 8,12 13,34 3,53 18,60 17,97 30, гидроиспытание 6,9 5,89 9,53 16,40 4,46 22,57 21,85 35, Вязкость разрушения K C для материала аппарата – стали 16ГС в условиях стати ческого нагружения имеет значения 8285 МПа м. Коэффициент интенсивности на пряжений страгивания трещины согласно уравнения (6) K th 11,02 МПа м при коэф фициенте асимметрии R=0.

Анализ результатов расчета пылеуловителя показывает, что размах коэффициен тов интенсивности напряжений для внутренних расчетных трещин не превышают вели чин K th и не инициируют рост трещин.

Требования к обеспечению безопасной эксплуатации пылеуловителя заключаются в непрерывном контроле отсутствия трещин, изменения размеров выявленных дефектов и изменения свойств материала корпуса и сварных швов. Положительные результаты контроля позволили продлить срок службы сосуда еще на 4 года.

Рассмотренные аппараты близки по материальному исполнению, находятся в оди наковых температурных условиях эксплуатации, работают в одних и тех же средах. Ре шающими в исчерпании остаточного ресурса в данном случае являются условия нагру жения. Трещины возникают и развиваются от наружной поверхности сосуда в условиях циклического нагружения внутренним давлением.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Разработана и программно реализована в компьютерном комплексе «ANSYS»

конечно – элементная модель обечаек с радиальными штуцерами с применением проце дуры подмоделирования, позволяющая учесть конструктивное оформление узла, гео метрию, расположение трещиноподобных дефектов, механические упруго – пластиче ские свойства материала сосуда. Проведены численные расчеты позволяющие опреде лить оптимальные относительные размеры и тип расчетных конечных элементов для решаемых задач.

2. Проведен анализ напряженно - деформированного состояния бездефектных штуцерных узлов при статическом нагружении и анализ изменения напряжений и де формаций в условиях циклического нагружения внутренним давлением. Показано, что появление циклического пластического деформирования в штуцерном узле наблюдается при условии, когда величина размаха эквивалентных напряжений в наиболее нагружен ном сечении узла превышает удвоенный предел текучести стали. Эквивалентные на пряжения при этом необходимо определять по теории максимальных касательных на пряжений.

3. Для оценки работоспособности штуцерного узла с трещиноподобными дефек тами предложено использовать параметр, оценивающий энергию деформации в верши не трещины – интеграл Райса – Черепанова. На основе которого определяются расчет ные коэффициенты интенсивности напряжений в установившемся режиме циклического нагружения сосуда. Разработан алгоритм расчета размаха компонент интеграла Райса – Черепанова и размаха коэффициента интенсивности напряжений для расчетных трещин в условиях циклического нагружения.

4. Проведены численные расчеты штуцерного узла с расчетными трещинами. Ис следовано влияние размеров штуцера, укрепляющих элементов, длины и ориентации расчетных трещин на прочность штуцерных узлов. Локальные трещины, расположен ные в сечениях, где действуют максимальные главные напряжения 1 а также кольце вые трещины имеют большие по величине размахи коэффициентов интенсивности на пряжений. Результаты решения для данных трещин принимаются для оценки прочно сти и долговечности сосуда.

5. Долговечность штуцерных узлов с трещиноподобными дефектами предложено оценивать с использованием уравнения Пэриса-Махутова описывающего скорость роста усталостных трещин по вычисленному размаху коэффициента интенсивности напряже ний и эмпирическим коэффициентам, характеризующим скорость роста трещин в кон струкционных сталях и их сварных швах.

6. На практических примерах показано, что разработанная методика может быть использована при оценке остаточного ресурса оборудования предприятий химической и смежных отраслей промышленности подконтрольных Ростехнадзору.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Перелыгин О.А. Оценка малоцикловой прочности сосудов с локальными дефектами по упругой составляющей деформации цикла / О.А.Перелыгин, М.Х.Сабитов, Н.М.Туйкин, Р.Х.Зайнуллин // Безопасность труда в промышленности. – 2003. – №8. – С. 30-31.

2. Сабитов М.Х. Анализ напряженно – деформированного состояния штуцерных узлов в расчете на малоцикловую прочность сосудов давления / М.Х.Сабитов, С.И. Поникаров // Вестник Казанского технологического университета. – 2011. – №20. – С. 208-212.

3. Сабитов М.Х. Оценка ресурса безопасной эксплуатации сосудов давления с учетом дефектов сварки / М.Х.Сабитов, С.И. Поникаров // Вестник Казанского технологическо го университета. – 2012. – №9. – С. 182-184.

4. Сабитов М.Х. Оценка ресурса безопасной эксплуатации газосепараторов с дефектами угловых сварных швов приварки штуцеров / М.Х.Сабитов, С.И. Поникаров, С.И. Валеев // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – №15. – С.118-120.

В материалах конференций:

5. Прелыгин О.А. Расчет пересекающихся цилиндрических оболочек на прочность при малоцикловых нагрузках / О.А.Перелыгин, С.И.Поникаров, М.Х.Сабитов // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в об ласти образования, науки и производства». – Нижнекамск, 14-16 апреля 2004. – Т.1. – С.

245-247.

6. Сабитов М.Х. Определение остаточного ресурса сосудов имеющих вмятины в местах врезки штуцеров при малоцикловых нагрузках / М.Х.Сабитов, С.И. Поникаров // Сбор ник трудов Международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудовани ем». – Иваново, 3-5 октября 2007. – Т.1. – С. 351-354.

7. Сабитов М.Х. Прочность сосудов давления имеющих дефекты в угловых сварных швах приварки патрубков штуцеров / М.Х.Сабитов, С.И. Поникаров // Материалы III Всероссийской студенческой научно – технической конференции «Интенсификация те пло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». – Казань, 23 25 мая 2012. – С. 312-315.

8. Сабитов М.Х. Оценка прочности сосудов давления с дефектами угловых сварных швов / М.Х.Сабитов, С.И.Поникаров // Сборник трудов XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». – Саратов, 2012. – Т.3. – С.144-147.

9. Сабитов М.Х. Моделирование эллиптических трещин в сварных швах сосудов, рабо тающих под давлением / М.Х.Сабитов, С.И.Поникаров // Сборник трудов XXVI Между народной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». – Нижний Новгород, 2013. – Т.5. – С.21-22.