автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Оценка долговечности биметаллических аппаратов на примере реактора установки замедленного коксования

аз оз. з'2

КОМИТЕТ ПО ВЫСМЕЙ ШКОЛЕ МИНИСТЕРСТВА ШШШ, ЕЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИШКИЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ГАЗИЕВ РДЦИК РАШИГОВИЧ

ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ПРИМЕРЕ РЕАКТОРА УСТАНОВКИ ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ

05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1992

Работа выполнена в Уфимском нефтяном институте

Научный руководитель - доктор технических нарт,

профессор Кузеев И.Р.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

гл.н.с. Ямалеев К.А. - кандидат технических наук, доцент Ях'удин М.Н.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский н проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения (ВЮПШЕФТЕМАШ)

Защита диссертации состоится " 9 " апреля 19Э2 г. в 12 часов на заседании специализированного Совета Д 063.09.03 в Уфимском нефтяном институте по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, I.

С диссертацией можно ознакомиться в техархиве института.

Автореферат разослан " % " МС^рТЧ 1992 г.

Учены!} секретарь специализированного Совета,

(к

докт. техн. наук, профессор П.Л.Ольков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие новых экономических, отношений предусматривает повышение• эффективности использования нефти, дальнейшее углубление ее переработки,'совершенствование технологии и оборудования процессов нефтепереработки. Важное место отводится мероприятиям по увеличению производства таких продуктов, как нефтяной кокс, потребность в котором испнтывается в настоящее время в электродной промышленности, металлургии, а также специальных производствах в связи с дефицитом каменноугольного кокса. Решение этой проблемы проводится как по пути совершенствования технологии процесса, так и за счет повышения показателей надежности и долговечности оборудования установок замедленного коксования (УЗК). . •

На сегодняшний день основным сырьем УЗК являются остатки сернистых п высокосернистых нефтей. Это определяет специфику материального оформления оборудования, обуславливая применение норрозионностойких сталей. Оптимальным о точки зрения ресурсосберегающей технологии и повышения эксплуатационных свойств нефтехимической аппаратуры является использование высокоэкономичных двухслойных сталей - биметаллов. .

В области, аппаратостроения актуальной является задача по назначению научнообоснованного ресурса работоспособности биметаллических конструкций, которая решается на основании методов расчета долговечности, разработанных в настоящее время. Существующие методы оценки прочности и долговечности конструкций, изготовленных из двухслойных сталей, позволяют выполнять расчеты по характеристикам только основного металла, а также не учитывают специфики накопления повреждений и деформационного старения биметаллических композиций при циклическом нагружении. Комплекс-

ное решение указанных проблем на стадии премирования позволит повысить эксплуатационную надежность биметаллических аппаратов и аналогичных конструкций.

Диссертационная работа выполнена по плану важнейших научно-исследовательских работ Уфимского нефтяного института, утвержденному Минвузом РСЗСР в соответствии с координационным планом АН СССР по проблеме 2.27 "Теоретические основы химической технологии" на 1986-90 г.г.

Цель работы. Разработать метод оценки долговечности биметаллических реакторов коксования на основании анализа характера их эксплуатации и изучения основных закономерностей поведений" двухслойных сталей при тлоцикловом упруголластическом деформировании.

Задачи исследований. Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих методов расчета долговечности реакторов УЗК и аналогичных' оболочечных конструкций в свете современных. подходов механики малоциклового разрушения;

2. Анализ особенностей-строения, структуры и свойств биметаллических композиций; . '

3. Разработка лабораторной установки и методики экспериментальных исследований по испытанию образцов натурной толщины в условиях циклического нагружения плоским изгибом и наличия повышенных температур;

4. Исследование особенностей деформационного старения, закономерностей накопления повреждений и разрушения двухслойных сталей в области малоцикловой усталости;

5. Разработка метода расчета долговечности биметаллических реакторов коксования с учетом процессов деформационного старения металла;

6. Разработка метода оценки остаточного ресурса для циклически нагруженных биметаллических аппаратов.

Научная новизна. По итогам проведенных экспериментальных и теоретических исследований получены новые результаты:

- для двухслойных коррозионностойких сталей, изготовленных методом прокатки, определены закономерности дефомационного старения

и накопления усталостных повреждений при упругопластическом нагру-жзнии плоским изгибом;

- в процессе деформационного старения биметаллических образцов натурной толщины показано, что с ростом числа циклов нагружения, независимо от амплитуды изгибной деформации, происходит первоначальное увеличение и последующее снижение относительного сужения, при достижении которым исходной величины возник--" и развиваются усталостные трещины;

- выявлено, что в области малоциклового нагружения усталостная долговечность биметаллической композиции определяется долговечностью плакирующего слоя, разрушающегося раньше металла основн.

Практическая ценность. Полученные результаты позволили разработать детерминированный метод расчета долговечности биметаллических реакторов УЗК, учитывающий изменение как условий эксплуатации аппарата, так и пластических свойств металла в процессе циклического деформирования. Рекомендации по применению данного метода приняты для использования в Уфимском филиале ВНИИнефтеиаш при проектировании технологического оборудования.

Разработана методика оценки остаточной долговечности биметаллических аппаратов, основанная на нелинейном условии суммирования повреждений, которая принята к внедрению трестом "Салаватнефтехим-ремстрой" для определения продолжительности эксплуатации оборудования после капитального ремонта.

Научные положения и материалы диссертации используются в учебном процессе Салаватского филиала Уфимского нефтяного института при.подготовке инженеров -механиков по специальности 17.05. 11а защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований процессов накопления и суммирования повреждений плакированных1металлов в условиях циклического изгиба; '

- закономерности изменения-параметров циклического дефор?лирования биметаллических композиций;

- особенности зарождения усталостных трещин в биметаллах;

- закономерности разрушения металлов с плакирующим слоем, определяющая роль которого проявляется в области малой долговечности;

- метод расчета долговечности, биметаллического' реактора УЗК в детерминированной постановке;

- метод оценки остаточной долговечности биметаллических аппаратов,

Апробация работы. Основные положения и результаты работы до-' кладывались и обсувдались.на:

- республиканской научно-технической конференции "Наука в борьбе за рациональное использование сырьевых ресурсов", Уфа, 1983 г.;

- республиканской научно-технической конференции "Научно-техническое творчество ВУЗа - в помощь производству", Уфа, 1986 г.;

- республиканской научно-практичесжой конференции "Молодежь-науке, производству", Уфа, 1987 г.;

- республиканской научно-технической конференции "Проблемы нефти и газа", Уфа, 1988 г.; ' '

- XIII Всесоюзной научно-технической конференции по тепловой ми-' кроскогога "Структура и прочность материалов в широком диапозоне температур", Каунас, 1989 г.;

- республиканской научно-технической конференции "Диагностика,

ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти", Уфа, 1989 г.;

- 12 республиканской научно-технической конференции "Наука-производству", Уфа, 1990 г.;

- ХУ1 Республиканской научно-технической конференции "Проблеш переработки и исследования нефти и нефтепродуктов", Уфа, 1990г.;

- IX Всероссийской меквузовской научно-практической конференции "Актуальные эколого-экономические проблеш современной хк-шп", Самара, 1991 г.

Публикации, По материалам диссертации имеется II публикаций. Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 19.0 стра1шцах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов л приложений на 23 страницах, содержит II таблиц, 48 рисунков и список литературы из 183 наименований..

, СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

. Во введении-показана актуальность работы; сформулированы цель и задачи исследования; дано краткое изложение основного со-г держания диссертации.

В первой главе приведены характеристики, и параметры реакторов отечественных установок замедленного коксования, в которых, с точки зрения затрат.на проведение ремонтных мероприятий, наиболее слабым звеном является собственно реактор. По данным литературных источников представлен анализ повреждений реакторов УЗК, основной причиной возникновения которых являются спловые и температурные воздействия, носящие циклический характер. .

Рассмотрены современные' подходы к расчету прочности и долговечности реакторов УЗК.•Указано, что существувдие методы

чета реакторов коксования не учитывают процессов деформационного старения материала, в частности, изменение пластичности при циклическом нагружешш.

При оценке усталостной долговечности биметаллических аппаратов современными методами не принимается во внимание наличие плакирующего слоя, т.е. расчеты выполняются по характеристикам только основного металла 'двухслойной композиции. Поэтому неучет указанных факторов в процессе проектирования биметаллических конструкций обуславливает их низкую•эксплуатационную надежность.

Изложенный в первой главе материал показывает, что реактор УЗК, в силу своих рабочих параметров, является уникальной конструкцией, включающей в себя все многообразие условий эксплуатации нефтехимического оборудования. В связи с этим, шлея универсальный метод оценки усталостной долговечности биметаллических реакторов коксования, мокно выполнять аналогичные расчеты и для других реакционных аппаратов, находящихся в более простых и менее нагруженных условиях эксплуатации.

Во второй главе приведен анализ состояния вопроса о закономерностях накопления повреждений и разрушения биметаллических ' конструкций при малоцикловом нагружении.

На основе теории разрушения материалов при действии циклических силовых и термических нагрузок, изложенных в трудах C.B. Серенсена, В.С.Ивановой, Н.А.Махутова, А.Н.Романова, А.П.Гусен-кова, Г.А.Тулякова, П.И.Кудрявцева, В.И.Горицкого и Е.Ф.Терен-тьева, В.И.Швиденко, В.Вейбулла, С.Мэнсона, П.Форреста и других ученых, рассмотрены методы расчета усталостной долговечности конструкций. Показано, что на современном этапе оценка долговечности при циклическом нагружении производится на основе: - теории, основанной на кривой усталости; - накопления усталостных

повреждений; - линейной механики разрушения; - термофлуктуаци-онной теории прочности; - механике непрерывной поврежденности. Недостатком этих методов является то, что долговечность прямо или косвенно считается независящей от временных механизмов усталости.

Не решают указанной проблемы и стандартные методы расчета усталостной прочности и долговечности конструкций - ГОСТ 2585983 и ГОСТ 25.504-82. В это же время более приемлимыми являются деформационные критерии разрушения, в которые входит целый комплекс механических свойств материала - прочность, пластичность, показатели упрочнения и другие параметры диаграмм деформирования. Детерминированный подход при оценке долговечности применительно. к биметаллическим конструкциям должен дополниться учетом композитнопти плакированных, коррозионностойких сталей. Это обусловлено тем, что свойства двухслойных металлов как при однократном, так н при циклическом нагруженип определяются спецификой изготовления, особенностями структурного строения, а также локальной химической и механической неоднородностью переходной зоны слоистых композиций.

Вопросам изготовления, исследования структуры и свойств биметаллических материалов посвящены работы таких ученых, как Е.А.Астров, С.А.Голованенко, Л.В.Г/еандров, А.С.Гельман, А.Д.Чуд-новсклй, К.Е.Чарухнна, Г.З.Зайцев, И.В.Кудрявцев, М.Г.Лозинский, А.И.Тананов, Ц.Такака, Ю.Фукути, Т.Тасиюки, В.Грегор. Получение биметаллов, обладающих наперед заданными механическими характеристиками, возможно только при условии создания прочного сцепления между слоями, что достигается применением таких методов изготовления двухслойных листов, как пакетная прокатка, литейный способ, сварка взрывом, наплавка и другие. В результате диф-

фузионных явлений, происходящих на границе соединения при производстве биметаллов, переходный участок можно разбить не менее, чем на три зоны: I - науглероженная- зона, 2 - зона сплошных карбидов (в плакирующем слое); 3 - обезуглероженная зона (в основном металле). Б свою очередь структурно-механическое состояние переходной зоны определяет физико-механические свойства всего биметалла. Поэтому расчетное определение физико-механических характеристик двухслойных сталей, выполненое по зависимостям Фрид-мана-Шрозова с учетом переходной зоны, дает меньшую погрешность по сравнению с известным правилом смеси (аддитивности).

Одним из ведущих показателей несущей способности биметаллических композиций является.их сопротивление действию переменных нагрузок. Теоретически усталостная прочность двухслойных сталей должна занимать некоторое промежуточное положение межйу соответствующими характеристикам ее составляющих. Однако на практике данная величина может быть как выше, так и ниже указанных пределов, что определяется свойствами и особенностями накопления повреждений в переходной зоне, видом нагружения, способом изготовления и режимом последующей термической -обработки биметалла.

В литературных источниках'уделено большое внимание вопросам усталости двухслойных сталей, полученных сваркой взрывом, при ограниченных данных о циклической'прочности биметаллов, полученных пакетной прокаткой и наплавкой, С другой стороны, при эксплуатации реакторы УЗК подвергаются действию изгибных нагрузок, вызванных неравномерностью температурного поля оболочки. Учитывая сказанное и анализируя результаты второй главы, показана необходимость проведения исследования поведения двухслойных сталей, изготовленных прокаткой, в условиях малоциклового цеТ;г мирования по схеме плоского изгиба.

В_5Летьоп_г-?гав& охарактеризованы объекты и нзтода исследований. Была исследована листовая двухслойная коррозиснностойкая сталь (согласно ГОСТ 10885-85) марок: ВСтЗсп-Ю8ХТ.З, 16РС-Ю8ПЗ, 16ГС+12Х18Н10Т, 0ЭГ2С+12Х18Н10Т толщиной 12...16 глл, в т.ч. толщина плакирующего слоя 2...3 мм. Кроме этого испытаниям подвергались стали марок: БСгЗсп, 16ГС, 09Г2С, 08X13, 12Х18НЮТ толщиной 8...14 ш, Определение физико-механических характеристик и микроструктуры металлов проводилось на стандартном оборудовании, по стандартным методикам при комнатной и повышенных текпе-' ратурах.

Для решения поставленных задач, кроме традиционных, возникла необходимость разработки дополнительных методик, что связано с новизной достигаемой в работе цели. Была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, а также отработана, методика испытания, образцов натурной толщины (до 25 га) по схеме циклического плоского изгиба в области малоцикловой и ограниченной усталости. Испытания при повышешшх температурах (до 500°С) проводились при помощи специально разработанной печи индукционного обогрева. Для исследования усталостных свойств биметаллов предложена методика получения диаграмм циклического деформиро-вапия в условиях .чистого изгиба. Измерение деформаций образца производилось приспособлением, оснащенным индуктивным соленоидным датчиком. Напряжения в образце определялись методом тензо-метрирования.

Для исследования влияния диффузии углерода из кокса в металл на его пластичность и усталостную долговечность была изготовлена лабораторная установка и-разработана методика науглероживания образцов из моно- и.биметалла.

Точность проведения экспериментов на указанных установках

была не ниже требований соответствующих ГОСТов и нормативных документов. Обработка результатов экспериментальных исследований выполнялась методом наименьших квадратов с применением ЭВМ.

Четвертая глава посвящена исследованию особенностей накопления повреждений, закономерностей деформационного старения и разрушения двухслойных металлических композиций при циклическом упругопластическом нагружении в условиях комнатной и повышенной температур. По результатам экспериментов получены кривые малоцикловой усталости исследуемых биметаллов и' сталей. Анализ этих кривых показывает, что долговечность плакированной стали существенным образом определяется долговечностью плакирующего слоя.

Как показали исследования, опережающее зарождение и развитие усталостных трещин наблюдается со стороны плакирующего слоя, что в конечном итоге, приводит к его первоначальному разрушению. При этом отслоение плакирующего металла композиции возникает при значительных величинах амплитудной деформации (более 1,5$). На поверхности как плакирующего, так и основного слоев образца при малых долговечностях появляется одна или несколько крупных трещин, развивающихся в дальнейшем в магистральную, в то время как при высоких долговечностях происходит образование сетки малых

о

трещин. Таким.образом, в области малых чисел нагружения (до 10 щитов) усталостная прочность биметалла определяется долговечностью металла плаифовки, а в области чисел нагружения более

о

10 циклов - долговечностью всей композиции ( рис.1 ).

Характер заровдения и распространения усталостных трещин в условиях повышенных температур сохраняется, при заметном снижении циклических свойств двухслойных сталей и ее компонентов.

о

При этом указанная граница перехода (10 циклов) смещается в область более высоких долговечностей.

Кривые ьталоцпкловой усталости биметалла 09Г2С+12Х18Ш0Т и сталей марок 12Х18Н10Т, 09Г2С

Рис. I

В результате обработки диаграмм циклического деформирования биметалла и его составлявших сталей получены зависимости изменения размаха напрякешй ¡3 = З/б'пц, и ширины петли упругоплас-тического гистерезиса (Г= (Г /вПц от числа цшслов нагружения до разрушения /У= N / Ырыр ( в относительных величинах ). Анализ показывает, что начиная с первых циклов нагружения биметаллическая композиция 09Г2С+12Х181П0Т и ее составляющие стали ведут себя как циклически разупрочняющиеся материалы, что сопровождается уменьшением величины размаха напряжений и увеличением шири-га петли гистерезиса. При этом с увеличением уровня амплитудной деформации степень циклического разупрочнения повышается.

Количественную оценку характера разупрочнения исследуемых сталей можно представить с помощью параметров обобщенной диаграммы циклического деформирования (см. табл.1) и коэффициента|>, обуславливающего интенсивность протекания процессов циклического разупрочнения ( рис.2 ).

Таблица I

Механические характеристики и параметры обобщенной диаграммы циклического деформирования

йзрка | ¿о,г, ! V, \ А

'стали | 'МПа Г.Ша | % |

09Г2С+12Х18Н10Т 711 486 56,5 0,918 . 0,0489 1,691 09Г2С' 533 352 61 0,955 0,0440 1,672'

12Х18ШШ 646 ' 434 67 0,913 0,0496 1,694

Зависимость изменения параметра разупрочнения от степени исходного деформирования

.5

0,5 0,2 ОИ О

О 2 4 6 8 Рис. 2

К

1 \1

1 - 12Х18НТ.0Т 2 - 09Г2С+ - 12Х18НЮТ 3 - 09Г2С

И

Как видно из рис.2 процессы разупрочнения более интенсивно протекают у стали I2XI8IIIGT, что сказывается на циклическом поведении всей композиции. Полученные параметры в значительной мере определяют процессы деформационного старения плакированных металлов, а тем самым и характер изменения механических свойств.

Для изучения особенностей деформационного старения, образцу из моно- и биметалла подвергались предварительному циклическому нагрукению до определенного числа циклов, либо до момента появления трещины (размером до 1мм) и затем разрушались при статическом растяжении с целью определения основных механических характеристик ( dj , £и f ). В результате этих исследований выявлено, что в области долговечностей до 800 циклов значительного изменения механических характеристик не наблюдается. Резкое уменьшение относительных сужения fa удлиннения (Г возникает в области /VT=I000...2000 циклов, вследствии исчерпания пластических свойств и охрупчивания поверхностного слоя образцов моно- и биметалла. Заметное уменьшение предела прочности

3

сталей наблюдается при числах циклов нагружения более 10 , когда трещины на поверхности образца значительно'сникают живую площадь поперечного сечения (см. рис.3).

Учитывая, что в области малоциклового упругопластического деформирования на усталостную долговечность конструкций доминирующее влияние оказывают пластические свойства металла, проведены исследования изменения величины относительного поперечного сужения двухслойных сталей в процессе деформационного старения. Эксперименты показали, что на начальной стадии старения происходит возрастание величины f на 4, 12 и 16 % соответственно для биметалла, металлов плакировки и основы, что объясняется процессами разупрочнения, протекающими с различной интенсивностью

Изменение механических характеристик сталей 16ГС-КЭ8Х13 и 16ГС от числа циклов нагружения до появления трещин

в поверхностных слоях образцов, подверженных предварительному циклическому изгибу. По мере накопления усталостных повреждений пластические - свойства сталей снижаются. Процесс изменения значений ^ протекает более интенсивно в металлах с большей.исходной пластичностью, а также по мере увеличения уровня амплитудной деформации.

Впервые обнаружено, что если зависимость изменения У от числа циклов предварительного нагружения /V изобразить графически в относительных величинах в виде Ч*/ 44, = ^ (А^/ Л/т) (где и П - текущие величины, исходное значение относительного су-

кения, a NT- число циклов до появления-трещины при заданном уровне деформации Ьа), то как для moho-, так и для биметалла экспериментальные точки будут распологаться на одной кривой соответственно для моно- и биметалла, независимо от уровня амплитудной деформации Еа (рис.4). Бри этом зарождение усталостной трещины происходит в результате исчерпания материалом исходной величины пластичности, т.е. N/NT- I, при I, в условиях как нормальной (20°С), так и повышенной (500°С) температур.

Зависимость изменения относительной пластичности от относительной долговечности биметалла 09Г2С+12Х18Ш0Т

Ч'/Чо

и

10 fe

0,9

! z r¡a l™. . A 4 I - 09Г2С+12Х18Ш0Т 2,3 - I2XI8HI0T 4 ~ 09Г2С

Л,- Д A^ J— -i* j ° Afi. / "4. — i = 20 °C --- t= 500°C

h i i i jj J 1

0,25

ОД 0,75 Рис. 4

1,0

Фг

Для выполнения оценки остаточной долговечности биметаллических конструкций получены(экспериментально)истинные закономерности-накопления усталостных повреждений, путем введения параметра нелинейности с1 в известное условие линейного суммирования повреждений, представленное в виде

(п'МТ - Ыъ) =1 -

где П., и (1г- число, циклов нагружешя при нацрякении б^ и ёг соответственно; N1 и N2 - число цгпслов до разрушения при напряжении и Параметр нелинейности определялся, гак

На рис.5 представлены экспериментальные зависимости остаточного ресурса ^/N2 от числа циклов предварительного нагру-жения П,/Л/4 сталей Вст3сп-)08Х13 и ВСтЗсп, полученные с учетом истинных закономерностей накопления усталостных повреждений.

Зависимость остаточного ресурса от числа циклов предварительного нагружения сталей ВСтЗсп-Ю8Х13 и ВСтЗсп

аа/Л/2 0,6

0,6

ол

0,2 о

0,2 0,4 0,6 0,8 Рис. 5

По экспериментально определенным значениям параметра оч при заданных значениях напряжениями €>2 из соотношения рассчитаны константы некоторых материалов - Я : ВСтЗсп+08Х13 -Л =3,24; ВСтЗсп - Я =3,56; 16ГС+12Х18ШОТ - Л=4,16; 12Х18Н10Т -. Д=4,08, которые позволяют получить закономерности нелинейного

накопления повреждений для любого сочетания напряжений.

На основе экспериментально-исследовательских данных, полученных в четвертой главе, разработаны методы оценки долговечности биметаллических аппаратов на стадии проектирования и эксплуатации.

В пятой главе изложен метод расчета долговечности биметаллических аппаратов на примере реактора УЗК, как работающего в наиболее неблагоприятных условиях и воспринимающего гамму характерных нагрузок. Поэтому, метод'расчета таких аппаратов в упрощенном виде применит,! при проеютировании других конструкций. В основу этого метода положен подход, разработанный сотрудниками Уфимского нефтяного института Кузеевым Н.Р. и Филимоновым Е.А. При этом оценка долговечности аппаратов выполняется с учетом процессов деформационного старения биметаллической композиции.

Ввиду неравномерности распределения действующих нагрузок по высоте реактора расчет долговечности выполняется по узлам сопряжений оболочек на отдельных участках. Для каждого узла корпуса аппарата как для растянутых, так и для сжатых волокон сопрягаемых элементов определяются суммарные напряжения путем сложения напряжений: - краевого эффекта - осевого (€>i't), кольцевого (¿г;) и радиального (&3-L); - нестационарного изменения температуры (¿у); - изгибных напряжений (¿/fl-); - остаточных сварочных (dor); - от собственного веса и веса кокса

ёzi = + 60V ;

Оценка напряженного состояния в узлах сопряжения реактора производится согласно гипотезы Треска-Геста (третья теория прочности) по приведенным напряжениям, из которых выбирается максимальное расчетное напряжение (б'тдХ)р. Б связи с тем, что корпус аппарата эксплуатируется в условиях малоциклового нагружения предельное число циклов до появления трещины (АО определится при (¿а — (<Этах)р'из уравнения Лангера ^

у* о 100

^ а 4(Л/)пгР + ££ 100- Щ + й^Ш'

где - амплитуда условных напряжений; коэффициент концентрации напряжений в сварных швах; £*£ - модуль продольной упругости; Щр- характеристика материала; - коэффициенты асимметрии цикла напряжений; предел выносливости и прочности при расчетной температуре.

Величина относительного сужения материала при расчетной температуре ( ^ ) подставляется в данное уравнение с учетом деформационного старения в соответствии с зависимостью

А +В-ехр[-()]-/Уа9] .

где параметры материала А , Б > и 3? определяются экспериментально.

Поскольку внутри кавдого цикла в процессе эксплуатации аппарата происходит изменение всей совокупности рабочих нагрузок, для каждого участка определяется долговечность, эквивалентная заданному распределению напряжений, соответствующая определенному гауссову процессу. Поэтому приведенная долговечность равна

Л/пР1= Ел/«(гк/и),

где N<1- долговечность, рассчитанная по напряжениям, действующим на К-ом участке для ¿-той сопрягаемой оболочки; Тк/Тц- вре-

ыевная доля гауссова процесса.

"етод расчета долговечности биметаллических реакторов УЗК реализован на ЭВМ и принят к внедрению в Уфимском филиале ВНИИ-нефтемаи для выполнения проектных работ.

На стадии эксплуатации реактора, при достижении долговечности близкой к расчетной, производится оценка остаточного ресурса методом, который основан на повторных испытаниях образцов металла. Для этого согласно правила суммирования повреждений с учетом параметра нелинейности остаточная долговечность иске т быть определена по формуле

л Л/= А1) >

где V - степень накопленной поврезденности представляется как

У = 1-(п2/К2УА ;

где Л,- число циклов пагружения аппарата на момент проведения повторных испытаний; Л/?- число циклов до разрушения при напряжении первоначального'нагрукения, определяемое по кривой усталости; число циклов до разрушения, определяемое при напряжении повторного испытания на отработанном металле; число циклов до разрушения при напряжении повторного испытания.

Определение остаточного ресурса с различной вероятностью выполняется при использовашга оценочной функции, составленной для значения П.2 в виде

Ц п2 = а + % • агсвиг ,

?де (X , £ - расчетные коэффициенты; Рг - вероятность разрушения каждого образца из'испытываемой серии.

Метод получил апробацию и принят к внедрению трестом "Сала-ватнефтехтатремстрой" при определении остаточного ресурса нефтехимического оборудования,-изготовленного из биметалла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Реактор коксования, являясь наиболее ответственной частью УЗК, в процессе эксплуатации испытывает циклические силовые и температурные воздействия, следствием чего является его низкая эксплуатационная надежность. Однако при проектировании таких аппаратов, изготовленных из биметалла, не учитывается анизотропия внешних нагрузок, а также анизотропия внутренних свойств двухслойных сталей, изменяющихся в,процессе циклического деформирования.

2. Для ..исследования поведения биметаллов в условиях малоциклового упругопластического нагружения сконструирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая исследовать образцы натурной толщины по схеме плоского изгиба при.комнатной и по- -■■ вышенной температурах.

3. Экспериментальные исследования показали, что в области -малоцикловой усталости долговечность биметаллической композиции существенным образом определяется долговечностью плакирующего слоя. В условиях термоцикличеокого нагружения наблюдаются изменения механических свойств как всей композиции, так и составляющих ее сталей, причем процессы деформационного старения протекают более интенсивно в металле Плакирующего слоя. Данный эффект усугубляется наличием поверхностного разупрочнения металла, снижающего пластические свойства всей композиции. В свою, очередь,, исчерпание, исходной величины пластичности приводит к появлению усталостных трещин и к разрушению конструкции.

4. Предложен метод расчета долговечности биметаллических аппаратов, учитывающий процессы деформационного старения материала в условиях циклического нагружения, т.е.,в детерминированной постановке, используемый Уфимским филиалом ВНИШефтемаш при проектировании биметаллического оборудования.

С. Полученные закономерности накопления усталостных повреждений в плакированных металлах позволили разработать метод оценки остаточного ресурса биметаллических аппаратов, основанный на нелинейном правиле суммирования повреждений. Метод принят к внедрению трестом "Салаватпефтехимремстрой" для определения срока эксплуатации нефтехимического оборудования после капремонта.

6. Научные положения и материалы диссертации используются в учебном процессе Салаватского филиала Уфимского нефтяного института при подготовке инженеров-механиков специальности 17.05.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Т. Заннуллин P.C., Егоров В.А., Газиев P.P., Халимов А.Г, Расследование напряженного состояния и долговечности труб с отводами // Наука в борьбе за рациональное использование сырьевых ресурсов. - Уфа, 1983. - С. 94.

2. Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г., Газиев P.P., Лизунов А.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния печных труб // Научно-техническое творчество ВУЗа в помощь производству. -Уфа, 1985. - С. 67.

3. Методика исследования науглероживания металлов / Газиев P.P., Захаров Н.М., Филимонов S.A., Баязитов М.И, // Молодежь -науке, производству. - Уфа, 1987. - С. 87.

'I, Филимонов S.A., Газиев P.P., Баязитов М.И. Исследование влияния диффузии углерода на пластические свойства стали I2XI8HI0T Ц Проблемы нефти и газа. - Уфа, 1988. - С. 58-59. 5. Поведение биметаллических композиций при циклическом изгибе / Газиев P.P., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А. // Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки найти. - Уфа, 1989. - С. 69-70.

6. Применение индуктивных датчиков для измерения деформаций

/ Газиев P.P., Муртазин Ф.Р., Панов А.Г. // Наука-цроизвод-ству. - Уфа, 1990. - С. 54-55.

7. Методика построения диаграмм циклического деформирования при изгибе / Газиев P.P. // Наука - производству. - Уфа, 1990. -С. 55.

8. О влиянии предварительного пластического деформирования на усталостные свойства биметаллов / ¡Пазиев P.P., Захаров Н.М. // Наука - производству. - Уфа, 1990. - С, 57,

9. Газиев P.P., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А. Об усталостной прочности биметаллов // Проблемы переработки и исследования нефти и нефтепродуктов. - Уфа, 1990, - С, 123-124.

Ш. Газиев P.P., Кузеев Й.Р., Филимонов Е.А. Накопление усталостных повреждений в биметалле // Проблемы переработки и исследования нефти и нефтепродуктов. - Уфа, 1990. - С.

124-125.

II. Поведение биметаллических реакторов коксования в условиях

ров Н.М., Филимонов Е.А. // Актуальные аколого-экономичес-кие проблемы современной химии. - Самара, 1991. - С. 23-24.

Подписано к печати .{£. сл. ям.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага шсчая. Печать офсетная. 11еч. листов /,с . Тираг ыс экз. Заказ

Уфимский нефтяной институт

ротапринт Уфимского нефтяного института

Адрес института и полиграфпредприятия: 450062, Уфа, Космонавтов, I

циклического нагружения / Газиев P.P., Кузеев И.Р., Заха-

Соискатель

P.P. Газиев