автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние котлов цистерн с учетом воздействия коррозионно-активных грузов

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Обзор методов расчета конструкций при воздействии коррозионно-активных грузов.

1.2. Выводы и формулирование решаемой задачи.

2. ОБСЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОТЛОВ ЦИСТЕРН И ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ.

2.1. Анализ технического состояния котлов вагонов-цистерн для перевозки кислотного меланжа.

2.2. Лабораторные испытания образцов вагонных сталей в меланже.

2.3. Металлографические исследования стальных образцов после коррозионных испытаний.

Актуальность проблемы. Опыт эксплуатации подвижного состава для перевозки кислот показывает, что значительная доля отказов связана с интенсивными коррозионными процессами, вызванными химической активностью перевозимого груза. Воздействие агрессивной среды приводит к потерям груза, сокращению срока службы и увеличению трудоемкости ремонта вагонов. Это в значительной степени относится к цистернам для перевозки кислотного меланжа. Как показывает практика, уже через четыре года эксплуатации 15 % цистерн имеют сквозные коррозионные повреждения в котле, к пяти годам - 42 %, а к шести годам - 62 %. Установлено, что 60 % цистерн ремонтируется с заменой колпака и горловины.

Главной задачей настоящего времени в развитии подвижного состава железных дорог является создание вагонов нового поколения. При производстве грузовых вагонов предусматривается создание подвижного состава с кузовами повышенной прочности и коррозионной стойкости, обеспечивающих безремонтную работу вагона в период между капитальными ремонтами1'2.

Среди задач текущего этапа важнейшей считается планомерное внедрение новых технических решений и передовых технологий, направленных на повышение долговечности узлов и деталей подвижного состава. Наметившийся рост объемов перевозок резко обозначил проблему нехватки подвижного состава и поставил задачу повышения эксплуатационной надежности существующего парка вагонов, используемого для перевозки коррози-онно-активных грузов.

1 Цюренко В.Н., Силин B.C., Райков Г.В. Требования к новым вагонам // Железнодорожный транспорт, 1998.- № 4.- С.61-62.

Барбарич С.С., Цюренко В.Н. Требования к грузовым вагонам нового поколения // Железнодорожный транспорт, 2001.- № 8.- С.26-31.

Условия эксплуатации вагонов, используемых для перевозки кислот, характеризуются постоянным взаимодействием элементов конструкции с коррозионно-активной средой. Опыт эксплуатации вагонов-цистерн для перевозки кислот показывает, что коррозионные повреждения являются причиной 60 - 65% случаев отказов вагонов.

Поэтому, при назначении сроков и видов ремонта цистерн важное значение имеют вопросы изучения влияния коррозионно-активных грузов на прочностные характеристики их конструктивных элементов. Однако существующие методы расчета элементов этих цистерн основаны на простейших моделях, которые не учитывают специфику их эксплуатации и особенности взаимодействия с коррозионно-активной средой.

В связи с этим вопросы разработки и внедрения методов прогнозирования напряженно-деформированного состояния и поиска путей повышения надежности вагонных конструкций для перевозки коррозионно-активных грузов имеют актуальное значение.

Целью настоящей работы является разработка уточненной методики расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) котла цистерн с учетом повреждений от воздействия коррозионно-активных грузов.

Методика исследований: Для достижения поставленной цели использованы методы математического моделирования. Анализ НДС котлов цистерн проводился на основе метода конечных элементов (МКЭ). Результаты численных экспериментов сопоставлялись с данными натурных экспериментов и с известными аналитическими решениями о НДС котла. Для обработки результатов натурных экспериментов применялся метод математической статистики.

Научная новизна. Получены следующие научные результаты: - разработана уточненная методика расчета напряженно-деформированного состояния двухслойных котлов цистерн, основанная на пошаговом решении по времени краевой задачи с использованием подконструкций метода конечных элементов, позволяющая учесть пространственное расположение коррозионных повреждений и сложное напряженно-деформированное состояние в зонах дефектов;

- установлены закономерности и механизм коррозионного разрушения вагонных сталей от воздействия меланжа;

- изучены особенности работы котлов цистерн с учетом взаимного влияния коррозионного износа и их напряженно-деформированного состояния.

Практическая ценность. Предложенная методика исследования напряженно-деформированного состояния двухслойных котлов цистерн позволяет на стадии проектирования производить оценку влияния коррозионного износа на прочность котлов цистерн и прогнозировать их техническое состояние на различных этапах жизненного цикла.

Исследовано влияние коррозионного износа на напряженно-деформированное состояние элементов конструкций вагонов-цистерн. Выполнена классификация и схематизация коррозионных повреждений, получены функциональные зависимости для определения остаточной толщины элементов котлов цистерн от срока эксплуатации, определены предельно допустимые в эксплуатации остаточные толщины элементов котлов цистерн.

Перспективы использования полученных результатов:

- представленная методика исследования НДС котла цистерны с учетом коррозионных дефектов может быть использована как на стадии проектирования цистерн, так и в эксплуатации при определении остаточного ресурса вагона;

- получены предельно допустимые толщины элемента котла, которые могут служить условием браковки при проведении плановых видов ремонта цистерн.

Тематика исследований и решаемые в работе задачи соответствуют «Перечню актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта для разработки докторантами, аспирантами и сотрудниками отрасли вузов в 2001-2002 годах», утвержденному указанием МПС от 17.11.2000г. № М-2775У, и подтверждается Комплексной программой реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2000-2001 годы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации и списка литературы.

Выводы по главе 4

1. Выполнено технико - экономическое обоснование противокоррозионной защиты вагонов для перевозки кислотного меланжа, в основу которого положен принцип минимума затрат, приведенных к единице подвижного состава.

2. Показано, что применение коррозионно-стойких сталей для изготовления котлов вагонов-цистерн экономически эффективнее, чем приобретение нового вагона с котлами из двухслойных сталей. Экономический эффект от применения этих сталей составляет 161907 руб. на один вагон.

110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы диссертации посвящены разработке методики расчета напряженно-деформированного состояния котлов цистерн с учетом влияния коррозионно-активных грузов. Методика включает в себя сбор и обработку статистической информации, с целью определения мест и причин появления дефектов, прогнозирование интенсивности коррозии металла в агрессивных средах на образцах. Использование метода конечных элементов, в сочетании с методом подконструкций, позволило оценить влияние коррозионных повреждений на напряженно-деформированное состояние двухслойного котла вагона-цистерны.

В работе получены следующие результаты и выводы:

1. Разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния двухслойных котлов цистерн, которая позволяет на стадии проектирования производить оценку влияния коррозионного износа на прочность котлов цистерн и прогнозировать их техническое состояние на различных этапах жизненного цикла.

2. Выполнен анализ эксплуатационных повреждений котлов вагонов-цистерн при перевозке кислотного меланжа, а также установлены причины их возникновения. Получены оценки интенсивности коррозии для различных зон котлов вагонов-цистерн, подверженных в эксплуатации наибольшему разрушению. Разработана классификация и выполнена схематизация для конечно-элементной модели коррозионных повреждений котлов цистерн в условиях перевозки кислотного меланжа. Установлены наиболее неблагоприятные эксплуатационные повреждения котла, вызванные коррозионным износом основного слоя двухслойной оболочки котла. Ими с точки зрения несущей способности котла являются повреждения ручейкового и кольцевого типа.

3. Проведенные коррозионные испытания и металлографические исследования низколегированных сталей, применяемых в вагоностроении, и новой ванадиевой стали с пониженным содержанием меди, хрома и никеля показали, что сталь марки 09Г2Ф имеет лучшую коррозионную стойкость, чем сталь 09Г2С, и может быть рекомендована для использования в вагоностроении. Установлено, что вагонные стали при взаимодействии с меланжем подвержены коррозионному износу без проникновения агрессивной среды вглубь металла.

4. Сравнительные испытания вагонных сталей в меланже при периодическом погружении позволили обоснованно построить ряд коррозионной стойкости, в соответствии с интенсивностью коррозии (мм/год): 10ХНДП -0,283, 09Г2Ф - 0,375, 09Г2Д - 0,44, 09Г2 - 0,59, 09Г2С - 1,5.

5. Разработана математическая модель для исследования напряженного состояния двухслойных котлов цистерн, учитывающая пространственное расположение коррозионных дефектов и сложное НДС.

6. Выполнена оценка влияния линейных размеров коррозионных повреждений котлов вагонов-цистерн на коэффициенты концентрации напряжений и длину возмущающей волны. Коэффициент концентрации напряжений в зоне коррозионных повреждений составляет 1,6 - 1,8. Длина возмущенной зоны не превышает 2,6 размеров ширины дефекта.

7. Исследовано НДС двухслойных котлов цистерн для перевозки кислотного меланжа. Определены предельно допустимые в эксплуатации остаточные толщины металла котла. Так, при кольцевой коррозии предельно-допустимая толщина металла составила 4,11 мм, а при ручейковой коррозии - 4,29 мм.

8. Выполнена оценка точности численных решений при исследовании прочности котла цистерны путем сравнения с аналитическими решениями. Расхождение составляют не более 6%.

1. Конюхов А.Д. Осадчук Г.И. Коррозионностойкие материалы для кузовов вагонов. М.: Транспорт, 1987. - 143 с.

2. Коррозия и надежность железнодорожной техники / Под редакцией А.Д. Конюхова М.: Транспорт, 1995. - 174 с.

3. Методы защиты от коррозии подвижного состава и металлоконструкций железнодорожного транспорта // Сб. научн. тр. /Под ред. Буше H.A., Конюхова А.Д. М.: Транспорт, 1988. - 136 с.

4. Защита от коррозии железнодорожного транспорта // Аналитический обзор / Под редакцией А. Д. Конюхова. М.; 1990. - 120 с.

5. Конюхов А.Д. Коррозия и надежность железнодорожной техники // Железнодорожный транспорт, 1997. № 1 - С. 42 - 47.

6. Цикерман JI. Я. Диагностика коррозии трубопроводов с применением ЭВМ. М.: Недра., 1977. - 319 с.

7. Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541 с.

8. Никольский E.H. Расчет кузовов вагонов по методу конечных элементов на основеприменения нерегулярных расчетных схем, составленных из разнородных элементов // В сб. Вопросы строительной механики кузовов вагонов. Тула: Издательство ТПИ, 1977.-С.4-18.

9. Никольский E.H. Селинов В.И. Исследование напряженного состояния модели кузова изотермического вагона при ударах в автосцепку // Труды Брянского института транспортного машиностроения, 1968 -Вып. XXII.-С. 18.

10. В. H. Котуранов Определение прогибов элементов несущего ц.м. кузова восьмиосного полувагона. / Тр. МИИТ. М.: МИИТ, 1972. - Вып. 399. - С. 84-91.

11. В. Н. Котуранов Методы исследования напряженно-деформированного состояния котлов железнодорожных цистерн: Автореф. . докт. техн. наук. М.: МИИТ, 1973. - 43 с.

12. Котуранов В.Н., Хусидов В.Д., Сергеев К.А. Матричный алгоритм расчета кузова полувагона. / Тр. МИИТ. М.: МИИТ, 1972. - Вып. 399. -С. 66-74.

13. Хусидов В.Д., Котуранов В.Н., Сергеев К.А. Метод расчета полувагона как комбинированный пластинчато-стержневой системы. / Тр. МИИТ. М.: МИИТ, 1973. - Вып. 422 - С. 67 - 76.

14. Чугунов Г. Ф. Беспалько С. В. Особенности расчета котлов цистерн на совместное действие внутреннего давления и локальных нагрузок. // Вестник ВНИИЖТ, 1992. № 3 - С. 19 - 22.

15. Шапошников H.H., Волков A.C., Ожерельев В.А., Расчет кузова влсьмиосного полувагона как пространственной конструкции. // Труды института. М.: МИИТ, 1980. - Вып. 677. - С. 158 - 168.

16. Волков A.C. Исследование напряженно-деформированного состояния кузовов восьмиосных полувагонов // Труды института. -Днепропетровск: ДИИТ. 1979. - Вып. 205/26. - С. 142 - 147.

17. Беспалько C.B., Чугунов Г.Ф. Действие открытого пламени на котел железнодорожной цистерны // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Труды второй научно-практической конференции. Книга 1. М.: МИИТ, 1999. - С. III.9 -111.11.

18. Котуранов В.Н., Мироненко Е.И., Смазанов С.И., Ле Ван Хок. Динамические напряжения в хребтовой балке полувагона при продольном соударении с учетом коррозии стержневых элементов. -М.: МИИТ, 1991. 15 с. - Деп.в ЦНИИТЭИ МПС.

19. Черников С.Ю. Оценка влияния коррозионного износа на прочность котлов железнодорожных цистерн. // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: Тезисы докладов научно-технической конференции. С. - Пб.: ПГУПС, 1998. - С. 100.

20. Ле Ван Хок. Напряженное состояние кузовов полувагонов железных дорог СРВ с учетом влияния коррозионных износов их элементоав -Дисс.канд. техн. наук. -М.:МИИТ, 1991.- 128 с.

21. Битюцкий A.A. Разработка комплексного метода проектирования , расчета и испытания грузовых вагонов: Дисс. докт. техн. наук. С.Петербург.: ПГУПС, 1995.-362 с.

22. Долинский В.М Динамика и прочность машин. Харьков: Виша школа, 1975.-Вып. 21.-С. 53 -57.

23. Карпунин В.Г., Клещев С.И., Корнишин М.С. Долговечность пластин и оболочек в условиях коррозионного воздействия среды // Прочность и долговечность конструкций. Киев, 1976. - С. 35 - 45.

24. Карпунин В.Г. Клещев С.И., Корнишин М.С. К расчету пластин и оболочек с учетом общей коррозии // Труды X Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластин. Тбилиси: Мецниерба, 1975.-Т. 1.-С. 166-174.

25. Карпунин В.Г.Исследование изгиба и устойчивости пластин и оболочек с учетом сплошной коррозии: Дисс. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1977 150 с.

26. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Металлургия, 1981 270 с.

27. Петров В.В. Овчинников И.Г. Шихов Ю.М. Расчет элементов конструкции взаимодействующих с агрессивной средой. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1987. - 288 с.

28. Овчинников И.Г. В книге. Механика деформируемых сред. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1979 - Вып. 6. С. - 183 - 188.

29. Стеклов О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. -М.: Машиностроение, 1976. 200 с.

30. Киселев С.Н., Киселев A.C., Смирнов В.В. и др. Анализ напряженно-деформированного состояния в круговых швах рам тележек вагонов метро // Сварочное производство, 1993. №4. - С. 19 - 20.

31. Бачурин Н.С. Нагруженность и прочность элементов вагонов из вязкоупругих высокоэластичных материалов: Дисс. докт. техн. наук. С - Петербург: ЛИИЖТ, 1991. - 401 с

32. Наумова Г.А., Воронкова Г.В. Зависимость кинетики коррозионного процесса от формы поперечного сечения элемента // Проблемы прочности материала и конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1994. - С. 15-20.

33. Иващенко Ю.Г., Желтов П.К., Соломатов В.И. Деградация фурановых композитов в воде // Проблемы прочности материала и конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами. Саратов: Издательство СГТУ, 1993.-С. 150- 155.

34. Манин В.Н., Громов А.Н.Физико-механическая стойкость полимерных материалов в условиях эксплуатации. Л.: Химия, 1980. - 248 с.

35. Тынный А.Н. Прочность и разрушение полимеров при воздействии жидких сред. Киев.: Наукова думка, 1975. - 206с.

36. Перлин С.М. Влияние некоторых сред на механические свойства намотанных стеклопластиков // Пластические массы, 1966. №8. - С. 62-65.

37. Колотыркин Я.М. Коррозия металлов. // Природа, 1979 -№11.- С.34 -36.

38. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металлургия, 1974. - С - 256.

39. Акользин П.А. Герасимов В.В. Коррозия конструкционных материалов ядерных тепловых энергетических установок. М.: Высшая школа, 1963.-376 с.

40. Акользин П.А. Гуляев В.Н. Коррозионное растрескивание аустенитных сталей в теплоэнергетическом оборудовании М. - JL: Госэнергоиздат. 1963.-294 с.

41. Влияние коррозионных сред на прочность сталей. М.: Машгиз, 1955. Книга 77.- 184 с.

42. Герасимов В.В. Герасимова В.В. Коррозионное растрескивание аустенитных нержавеющих сталей. М.: Металлургия, 1976. - 175 с.

43. Карпенко Г.В. Прочность сталей в коррозионной среде. М. - Киев.: Машгиз, 1963.- 188 с.

44. Карпенко Г.В. Василенко И.И. Коррозионное растрескивание сталей. Киев.: Техника, 1971. 192 с.

45. Коррозионное растрескивание и хрупкость / Ред. . В.Д. Робертсон. -М.: Машгиз, 1961 194с

46. Коррозионное растрескивание и хрупкость. М.: Машгиз, 1961 - 189с.

47. Методы испытания на коррозию под напряжением / Матца Ф., Паркинс Р.Н., Ройела Ж.Ж., Скалли Ж.К. // Защита металлов, 1973. Т 9.-№5-С.515 -540.

48. Романов В.В. Коррозионное растрескивание металлов. М.: Машгиз, 1960.-203 с.

49. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. -640 с.

50. Скорчеллетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов Ленинград.: Издательство Химия. Ленинградское отделение, 1973 -264 с.

51. Томашов Н.Д. Чернова Г.П. Теоррия коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. М.: Металургия, 1986. - 359 с.

52. Жуков А.П. Малахов А.И. Основы металловедения и теории коррозии. -М.:Высшая школа, 1991 — 168 с.

53. Тодт Ф. Коррозия и защита от коррозии. Д.: Химия, 1967. - 359 с.

54. Белоглазов С.М. Новодороживание стали при электрохимических процессах. Д.: Издательство Ленинградского университета, 1975. -411 с.

55. Галактионова H.A. Водород в металле. М.: Металлургия, 1967. - 303 с.

56. Гельд П.В. Рябов P.A. Водород в металле и сплавах М.: Металлургия, 1974.-272 с.

57. Карпенко Г.В. Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали. -М.: Металлургиздат, 1962. 197 с.

58. Коттерилл П. Водородная хрупкость металла. М.: Металлургиздат,1963.- 117 с.

59. Мороз Л.С. Чесулин Б.В. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967. - 255 с.

60. Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия,1964.-Т.З.-1112 с.

61. Справочник химика. М. - Д.: Химия, 1964. - Т 3. - 1005 с.

62. Грузовые вагоны железных дорог колеи 1520 мм / Альбом справочник. М.: 002И-97 ПКБ-ЦВ, 1998. - 283 с.

63. Цистерны. ( Устройство, эксплуатация, ремонт): Справочное пособие / В.К. Губенко, А.П. Никодимов, Г.К. Жилин и др. М.: Транспорт, 1990.- 151 с.

64. Герасименко Г.П., Стеклов О.Н., Журавлева Л.В., Конюхов А.Д. Коррозионные повреждения цистерн , транспортирующих улучшенную серную кислоту // Химическое и нефтянное машиностроение, 1976. -№9. С. 20-21.

65. Сыровец М.Г., Трофимова Н.С., Герасименко Г.И. Продлять срок службы цистерн // Железнодорожный транспорт, 1988. №7. — С. 31 — 33.

66. Программа-методика обследования технического состояния вагонов -цистерн, используемых для перевозки агрессивных грузов, на коррозионные повреждения. (16КО. 635.02 ПМ). Екатеринбург: УрГАПС, 1999.- 13 с.

67. Кагаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985.-224 с.

68. Конюхов А.Д. Снижение надежности технических средств в результате коррозии // Методы защиты от коррозии подвижного состава и металлоконструкций железнодорожного транспорта / Сб. научн. тр. ВНИ-ИЖТ. М.: Транспорт, 1988. - С. 5 -19 .

69. Конюхов А.Д., Носков Ю.А., Северинова Э.П. Сравнительная оценка коррозионного влияния профилактических веществ на подвижной состав // Вестник ВНИИЖТ, 1989. № 6. - С. 36 - 38.

70. Глинка Н.Л. Общая химия . Л.: Химия, 1983. - 400 с.

71. Конюхов А.Д. Предупреждение коррозионных повреждений вагонов // Железнодорожный транспорт, 1979. №4. - С . 58 - 61.

72. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976 .-472 с.

73. Справочник химика. М. - Л.: Химия, 1966. - Т.5 - 972 с.

74. Марочник сталей и сплавов / Справочник под общ. ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

75. Варвак П.М., Бузун И.М., Городецкий А.С., Пискунов В.Г., Толокнов Ю.Н. Метод конечных элементов. Киев: Вища школа, 1981. - 176 с.

76. Колкунов Н.В. Основы расчета упругих оболочек. Москва.: Высшая школа, 1987. - 256 с.

77. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС 1520 мм (несамоходных). М.: ВНИИЖТ -ВНИИВ, 1997.-310 с.гоЧЛЪ^ъ '¿.-ел