автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Определение ресурса безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением с дефектами швов приварки патрубков штуцеров

На правах рукописи

00553

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

7 НО Я 2013

Казань-2013

005537400

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

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор, Поникаров Сергей Иванович

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- Наумкин Евгений Анатольевич, доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»

- Бережной Дмитрий Валерьевич, кандидат физико -математических наук, доцент ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», доцент кафедры теоретической механики

- Открытое акционерное общество «Научно — исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения» (ОАО «НИИхиммаш»), г. Москва

Защита диссертации состоится 27 ноября 2013 года в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 Казанского национального исследовательского технологического 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 «¿5 ситя^^я 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Степанова Светлана 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 функционирование 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 экономическими причинами: высокой стоимостью оборудования и необходимостью эксплуатации стареющего парка оборудования отработавшего проектный ресурс, возросшей конкуренцией в условиях рыночной экономики, требующих снижения себестоимости производства, ухудшением ремонтной базы предприятий и снижением производственной дисциплины.

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

Объектом настоящего исследования являются штуцерные узлы сосудов, работающих под давлением. Практика проектирования и эксплуатации сосудов, работающих под давлением свидетельствует, что по уровню напряженно — деформированного состояния 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 - либо дефектов.

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

Для полной оценки остаточного ресурса оборудования, работающего под давлением, необходимо располагать комплексом методических и программных документов, позволяющим провести оценку напряженно - деформированного состояния в зонах конструктивной концентрации напряжений сосудов с учетом наличия трещиноподобных дефектов 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 обнаруживаемых 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 сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением с учетом наличия трещиноподобных дефектов в штуцерных узлах с использованием метода конечных элементов, реализуемого в компьютерном комплексе «АЫЗУв» 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 исследований напряженно — деформированного состояния штуцерных узлов сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением;

2. Анализ экспериментальных исследований влияния технологических и эксплуатационных дефектов на прочность сосудов, работающих под давлением и существующих методов оценки работоспособности сосудов с дефектами;

3. Разработка алгоритма построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической обечайке, позволяющего учесть особенности конструктивного оформления узла, геометрию и расположение трещиноподобных дефектов, механические 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 - деформированного 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 давлением;

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 трещин в штуцерном узле для условий упруго — пластического циклического деформирования;

3. Разработана методика оценки остаточного ресурса сосудов на основе получаемых 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 расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований напряженно — деформированного состояния натурных сосудов, работающих под давлением и использованием экспериментальных результатов определения параметров трещиностойкости конструкционных сталей и их сварных швов.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической 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 Раиса - Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений;

4. Методика оценки остаточного ресурса на основании расчетных величин параметров трещиностойкосги и результатов экспериментальных исследований скорости роста трещин в конструкционных статях и сварных швах.

Практическая ценность результатов работы:

1. В совершенствовании существующих методов оценки напряженно — деформированного 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 интенсивности напряжений, характеризующих напряженно - деформированное состояние трещиноподобных дефектов в сварных швах сосудов, работающих под давлением в части учета пластического деформирования и его влияния на расчетные коэффициенты интенсивности напряжений;

3. Методика расчета, рассмотренная в работе, разработана для использования экспертными организациями при оценке остаточного ресурса сосудов отработавших проектный ресурс в тех случаях, когда имеются условия для появления усталостных трещин - циклическое нагружение внутренним давлением, дефекты сварных швов, а также необходима оценка прочности по критерию хрупкого разрушения.

Реализация н 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 151000.68 «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (справка №1104006/1-6-4/10 от 16.10.2013). Копии документов приведены в Приложении к диссертации.

Апробации работы. Основные результаты исследований, представленные в работе, докладывались на научных 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 «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго - и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (г.Иваново, 2007); XXV и XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2012-2013 г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 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 использованной литературы, включающего 87 наименований и приложений. Работа изложена 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 пересекающихся оболочках с использованием уравнений линейной теории оболочек.

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

Рассмотрены работы, содержащие результаты исследований напряженно - деформированного состояния сосудов с штуцерами при малоцикловом нагружении внутренним давлением, показано, что в зоне сопряжения патрубков с обечайками и днищами наблюдается режим нагружения близкий к жесткому с постоянным размахом деформаций, 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 деформацией.

Рассмотрены статистические исследования дефектности и повреждаемости эксплуатируемых сосудов, при этом основная доля выявленных дефектов приходится на дефекты сварки. Расчетное обоснование работоспособности сосудов с дефектами проводится с использованием критериев механики разрушения - коэффициента интенсивности напряжений (КИН) характеризующего распределение напряжений и деформаций у вершины трещины и энергетического, оценивающего энергию деформации у вершины трещины — интеграла Раиса - Черепанова. Практическую значимость имеют работы по исследованию скорости распространения усталостных трещин при циклическом нагружении, использование эмпирических зависимостей скорости роста трещины от раз-махов коэффициента интенсивности напряжений и деформаций дают возможность определения 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 «ЛЫБУв». В основу рациональной расчетной схемы для проведения упруго - пластического анализа напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов с учетом конструктивных особенностей, схемы нагружения и дефектности сварных швов положен алгоритм с использованием процедуры подмоделирования (рисунок 1).

подконструкция

Рисунок 1 - Подконструкция

При использовании процедуры подмоделирования сосуд с патрубком предварительно упрощенно моделируется с использованием оболочечных элементов с сохранением результатов решения в форме массивов перемещений точек срединной поверхности 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 нулю. Перемещения на границах подконструкции:

где я - номер узла подконструкции; хп,у„,г„ - координаты узла подконструкции, {и,,} -перемещения узла в заданной системе координат; {и0б} - вектор перемещений узлов оболочечной модели.

Условия симметрии:

|к„ Яи<П! = 0 . 1 'н .Ш1

Упруго - пластический расчет с заданием диаграммы деформирования стали проводится с использованием Метода Ньютона-Рафсона. Система разрешающих уравнений метода конечных элементов имеет вид:

[р; }= / {Р, ^ + {№ {/>,. № +1 (ММ)7 к к К

(1)

где [«",] - матрица жесткости для итерации ¡; {Ли} - вектор приращения узловых перемещений конструкции; {р"} - вектор заданной узловой нагрузки; } - «возвратный» вектор узловой нагрузки соответствующий конфигурации {и,}; [А„ ]. \р"} - матрица жесткости элемента для итерации 1 и вектор заданной узловой нагрузки элемента; [Л'] -матрица аппроксимирующих функций элемента; [в\ - матрица дифференциальных операторов; [/) ]- матрица, связывающая приращения напряжений и деформаций в упруго

- пластической области; - векторы приведенных к узлам поверхностных и объ-

емных сил; ¡£>} - вектор температурной деформации.

Последовательность решения:

1) Принимается {«0} из предыдущего шага нагрузки, либо на первом шаге {ио}=0;

2) Вычисление [/¡Г,] и получение матрицы по конфигурации вектора {и,}:

г

3) Вычисление {Ли,} из системы уравнений (1);

4) Проверка сходимости;

5) Суммирование {Ди,} с {к,} в случае если сходимость не достигнута и повторение

пунктов 1-4.

Проверка условия сходимости.

- сходимость по невязке нагрузки:

- сходимость по приращению перемещений:

|{Аи, Щ < е.и„п_

где {«,)= {г,"}- {^у} - остаточный вектор; й,2) - норма остаточного вектора;

" н°Рма вектора приращения перемещений; Д„/=|{/г°||; ипГ = ¡{и,|; ех,еи - 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 сравнение решения задачи для жестко заделанной по краю цилиндрической оболочки нагруженной внутренним давлением в упругой постановке в компьютерном комплексе «АШУБ» с известным решением по теории оболочек. Лучшее соответствие в сравнительном анализе достигнуто при использовании оболочечных квадратичных элементов 5Ье1193 с размерами сторон элементов О.бэ вдоль образующей у заделки в случае оболо-чечной схемы расчета, э - толщина оболочки. В трехмерной задаче при аппроксимации по толщине стенки в месте заделки, лучшее соответствие результатов достигается при использование шестигранных линейных элементов 5оНс145 с равными расстояниями между узлами вдоль образующей и по толщине оболочки. При этом число элементов по толщине оболочки принимается не менее 4 при $/0<0,05 и более 4 при 5/Т)>0,05, Б -внутренний диаметр.

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 выборе размеров конечных элементов вблизи вершины расчетной трещины учтены требования механики разрушения, размер сторон элементов принимается не более 1/40 длины трещины. Для учета сингулярности напряжений вершина трещины моделируется с использованием сингулярных элементов.

В работе рассмотрен алгоритм определения расчетных величин коэффициента интенсивности напряжений К, 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 КИН используются выражения для определения перемещений в вершине трещины, полученные с применением 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 оценки конструкции с трещиной в работе принят энергетический критерий механики разрушения, определяющий степень уменьшения потенциальной энергии конструкции в результате подрастания трещины - интеграл Райса-Черепанова. Компоненты интеграла в плоскости поперечного сечения трещины определяются выражениями:

где Г- произвольный контур интегрирования; IV- плотность энергии деформации; ау-компоненты тензора напряжений; и, - перемещения в точке контура; л,. - компоненты нормали к контуру в рассматриваемой точке;

\ 111

"Г У- Г-Дх/2

г-""^ Г+Ах!2

а)

б)

Рисунок 2 - Вычисление компонент У - интегршга: а) - контур интегрирования вокруг вершины трещины; б) - смещение вдоль оси х при численном дифференцировании; в) -смещение вдоль оси у при численном дифференцировании

Компоненты JY и ^ можно записать:

(2)

где = етхпх + а„,пх - проекция вектора напряжений на ось х в рассматриваемой точке контура Г, 1„= а,,и + <т„- проекция вектора напряжений на ось у.

Компоненты 3 интеграла определяются непосредственным численным интегрированием выражений (2).

Для получения частных производных перемещений вдоль осей х и у проводится численное дифференцирование, осуществляемое сдвигом контура на величину + 0,5Ах и ± 0,5Ау вдоль соответствующих осей (рисунок 2.6, в) с получением массивов значений перемещений в точках контура при каждом смещении, величины Ах и Ду при численном дифференцировании принимаются равными 1% длины контура

Соответственно массивы частных производных перемещений в точках контура:

5и„

Дх

Эм„.

"аГ Дх

дим

ду Ду

а«,,,.

1у Ду

Для каждого шага нагружения численным интегрированием определяются компоненты интеграла Райса-Черепанова на стадиях нагрузки и разгрузки и соответствующие размахи компонентов:

дJ _ J Иагр _ у разгр _ j Haip _ j разгр

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

AK, = ^(v'V -AJy + JAJX +AJy\[E7,

где E' = E для плоского напряженного состояния и £" = £/( 1-у2)в условиях плоской деформации, Е - модуль упругости, v - коэффициент Пуассона.

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

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

Напряженно-деформированное состояние штуцерных узлов исследовалось с привлечением опубликованных экспериментальных исследований Окриджской национальной 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 штуцерных 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 основному металлу.

Для выявления закономерностей упруго - пластического деформирования штуцерных узлов в условиях циклического нагружения в работе проводится упруго - пластический расчет пяти циклов нагружения штуцерного узла внутренним давлением.

На рисунке 3 приведены зависимости относительных напряжений а = о/о, от деформаций в наиболее нагруженных точках неукрепленного штуцерного узла при геометрических параметрах: s/D=0,01; d/D=0,3; s,/s=0,63; j, s, - толщины стенок обечайки и штуцера соответственно; d,D- внутренние диаметры штуцера и обечайки; оу - предел текучести стали; материал - Ст.20. Нагружение проводится внутренним давлением равным допускаемому [р] по нормам на укрепление отверстий.

В первом полуцикле нагружения в точках наиболее нагруженного сечения происходит необратимая пластическая деформация, при последующих циклах нагружения наблюдается циклическое пластическое деформирование характеризуемое шириной петли упруго - пластического гистерезиса на рисунке 3 б. Для исключения циклического пластического 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:

оу, (3)

где оу - предел текучести.

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

б)

Рисунок 3 - Диаграммы напряженно -деформированного состояния штуцерного узла: а) - компоненты напряжений в точке т. 1; б) - эквивалентные напряжения в точке т. 1;

в) - накопленная пластическая деформация в узле е > 0,1%

Сопоставление результатов расчета предельного давления определяемого по условию (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 параметрах, определяется уравнением линии огибающей нижние точки на графике.

Согласно проведенных расчетных исследований в тонкостенных сосудах при нагрузках близких к допускаемым нормативным в узлах приварки патрубков штуцеров происходит циклическое пластическое деформирование с образованием трещин малоциклового разрушения. Оценку долговечности сосуда объективно проводить с использованием закономерностей возникновения и развития усталостных трещин.

*

у = 0,73* (Ш)"0,066

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55

Рисунок 4 - Отношение предельного давления рпр по условию (1) к допускаемому давлению [р] по нормам на укрепление отверстий при х/О = 0,01

В четвертой главе решается задача расчетного определения параметров трещино-стойкости и оценки на их основе прочности и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением.

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

/*=6,25КН; 6=50мм; 1^5 мм.

>

ил р

"А

/М),033МН; 6=100мм; 1=50мм.

/

I_____«________т

Р=0,025МН; 6=100мм; 1=50мм.

Рисунок 5 - Конструкция образцов и результаты определения размахов КИН: а) - образец 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 ДК, с использованием интеграла Райса-Черепанова при этом согласуются с эмпирическими выражениями ГОСТ 25.506-85 и выражениями приведенными в работах зарубежных авторов.

При выборе расчетной схемы трещиноподобных дефектов в штуцерном узле следует исходить из условий возникновения дефектов и анализа характера разрушения узлов вызванных их наличием. Технологические дефекты сварки, приводящие к разрушению располагаются на границе сварных швов и основного металла и ориентированы вдоль линии шва. Исходя из размеров дефектов вдоль линии шва, их можно рассматривать как протяженные, когда длина дефектов превышает глубину и локальные, когда длина и глубина соизмеримы. Расчетная схема трещиноподобных дефектов представляется 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 4/0 = 0,01. Упруго-пластический расчет для кольцевых трещин глубиной 0,25« (рисунок 6) показывает увеличение размаха КИН ДАТ, вызванное предварительным пластическим деформированием в вершине трещины, величина КИН определяемая упругим расчетом без учета упруго - пластического поведения материала не идет в запас прочности. Величины МС, с увеличением диаметра штуцеров увеличиваются пропорционально напряжениям в расчетном сечении конструкции.

_ [)у500 упругий расчет — Эу250 упругий расчет —0у100 упругий расчет

угол, градусы

1"бу500 упруго-пласт. расчет — Эу250 упруго-лпаст. расчет —ОуЮО упруго-пласт. расчет

а) б)

Рисунок 6 - Результаты упруго-пластического расчета АК, :а)- расчетная трещина 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 четырехкратного коэффициента запаса принимается равной / = 0,254, где 5 - толщина стенки сосуда. Поверхностные трещины при / = 0,255 имеют размеры задаваемые отношением На = 2/3, где а - полудлина трещины.

В работе проведен сравнительный анализ полуэллиптических трещин имитирующих локальные дефекты в наиболее опасных, исходя из анализа разрушения реальных сосудов, сечениях цилиндрической обечайки с штуцерным узлом. Согласно проведенных расчетных исследований, максимальные величины ДК, имеют трещиноподобные

дефекты ориентированные вдоль образующей обечайки и располагаемые с сечениях нормальных к действующим максимальным главным напряжениям сг,,

На основании максимальных рассчитанных величин ДК, в наиболее нагруженном сечении с расчетной трещиной, проводится проверка прочности элемента сосуда и определяется расчетная долговечность сосуда.

Статическая прочность проверяется выполнением условия:

(4)

где [к,\= Кс Iп - допускаемый коэффициент интенсивности напряжений; К, - вязкость разрушения (ГОСТ 25.506-85); п - коэффициент запаса, п=2

Определение расчетного числа циклов нагружения штуцерного узла с трещиной осуществляется с использованием уравнения Пэриса - Махутова приведенного в работах Махутова H.A. 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.

<5>

где ДК,е- коэффициент интенсивности деформаций; Са,у„ - коэффициенты, получаемые статистической обработкой кривых усталостного разрушения образцов, соответствующей по структуре группы сталей в работах КарзоваГ.П.: С„ =0,0029388 м1й, у„ =2,22 -для низколегированных перлитных сталей; С„=0,0021344 м1/2, уа =2,01 - для ферритно-перлитных сталей; С„=0,0001423 м1'2, /„=2,34 - для аустенитных хромникелевых сталей;

Начальный размер расчетной трещины 1„ при интегрировании уравнения (5) определяется величиной КИН начала страгивания трещины по эмпирическому уравнению: Klh = 12,7 - 0,006о-,12 - (11,37 - 0,0065<г„ 2)R, (6)

где R = К^/К^ - коэффициент асимметрии, K,milt, Кы„- минимальная и максимальная величины коэффициента интенсивности напряжений в цикле соответственно.

При наличии выявленных поверхностных дефектов при интегрировании уравнения (5) начальный размер расчетной поверхностной трещины 1„ принимается равным глубине дефекта.

Расчетное число циклов Np определяется интегрированием уравнения (5):

n -'[ л_ - 1 'f dl -

•Ao-V^)'" (1-0,5rS

где Y - функция, учитывающая тип и расположение трещины, Да - размах номинальных напряжений в сечении с трещиной, В - коэффициент перехода от напряжений к деформациям.

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

В ходе экспертного технического диагностирования в 2013 г. газосепараторов изготовленных 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 контрольно - 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) - трещина в угловом сварном шве штуцера; б) - поры на глубине 8 мм при выборке шва

Согласно анализа журналов регистрации рабочих параметров, газосепараторы эксплуатируются в условиях постоянных перепадов рабочего давления. Для выделения отдельных циклов приложения давления проводится схематизация процесса нагружения с выделением циклов давления определенного размаха и подсчета их количества. Для выделенных циклов давления расчетом определялись ДАТ,. Прогноз роста поверхностной трещины после проведенного ремонта проводится интегрированием с повторением полученной схемы нагружения и коррекцией длины трещины после каждого цикла приложения давления 1М = /, + Ш. Увеличение трещины на величину сИ в каждом шаге приложения давления определяется по уравнению (5). Прогнозируемая кривая роста трещины приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Прогноз роста трещины

Принятый предельный размер трещины 1=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 внутренние дефекты сварных швов выявленные в ходе проведения первого технического диагностирования 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 пылеуловителей 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 интенсивности напряжений и критерию статической прочности (4), результаты расчета размахов коэффициентов интенсивности напряжений приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Результаты расчета пылеуловителя

ДАТ,, МПа 4м

Ар, внутренняя трещина поверхностная трещина /=0,25.$

МПа кольцевой продольный кольцевой шов продольный шов угловой шов

шов шов наружная поверхность внутренняя поверхность наружная поверхность внутренняя поверхность штуцера

рабочее давление

5,5 4,76 8,12 13,34 1 3,53 18,60 17,97 30,16

гидроиспытание

6,9 5,89 9,53 16,40 1 4,46 22,57 21,85 35,61

Вязкость разрушения Кс для материала аппарата - стали 16ГС в условиях статического нагружения имеет значения 82-И55 МПа^м. Коэффициент интенсивности напряжений страгивания трещины согласно уравнения (6) Кл = 11,02 МПа4м при коэффициенте асимметрии Л=0.

Анализ результатов расчета пылеуловителя показывает, что размахи коэффициентов интенсивности напряжений для внутренних расчетных трещин не превышают величины Кл 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 одинаковых температурных условиях эксплуатации, работают в одних и тех же средах. Решающими в исчерпании остаточного ресурса в данном случае являются условия нагружения. 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 «А^Ув» конечно - элементная модель обечаек с радиальными штуцерами с применением процедуры подмоделирования, позволяющая учесть конструктивное оформление узла, геометрию, расположение трещиноподобных дефектов, механические упруго - пластические свойства материала сосуда. Проведены численные расчеты позволяющие определить 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 деформаций 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 нагруженном сечении узла превышает удвоенный предел текучести стали. Эквивалентные напряжения при этом необходимо определять по теории максимальных касательных напряжений.

3. Для оценки работоспособности штуцерного узла с трещиноподобными дефектами предложено использовать параметр, оценивающий энергию деформации в вершине трещины - интеграл Райса - Черепанова. На основе которого определяются расчетные 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. Исследовано влияние размеров штуцера, укрепляющих элементов, длины и ориентации расчетных трещин на прочность штуцерных узлов. Локальные трещины, расположенные в сечениях, где действуют максимальные главные напряжения а, а также кольцевые трещины имеют большие по величине размахи коэффициентов интенсивности напряжений. Результаты решения для данных трещин принимаются для оценки прочности 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 напряжений и эмпирическим коэффициентам, характеризующим скорость роста трещин в конструкционных 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 O.A. 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 технологического 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 O.A. 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 области 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 II Сборник трудов Международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием». - 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 II Материалы III Всероссийской студенческой научно - технической конференции «Интенсификация те-пло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». - Казань, 2325 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.З. — С.144-147.

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

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань,ул. Журналистов, 2.4, оф.022

Тел: 295-30-36, 564-77-41. 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 19.10.2013 г. Печ.л. 1,1 Заказ М' К-7316. Тираж 100 экз. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

КАЗАНСКИМ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201450662 САБИТОВ МАРАТ ХИСМАТУЛЛОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОСУДОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С ДЕФЕКТАМИ ШВОВ ПРИВАРКИ

ПАТРУБКОВ ШТУЦЕРОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (в химической отрасли промышленности)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Поникаров С.И.

Казань-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 5

ГЛАВА 1. Литературный обзор......................................................... 11

1.1. Обзор работ, посвященных оценке напряженно - деформированного состояния узлов врезки штуцеров в обечайках и днищах............................. 11

1.1.1. Конструктивные решения по укреплению отверстий в обечайках и днищах сосудов................................................................................ 11

1.1.2. Обзор работ, посвященных методам расчета напряжений в узлах врезки штуцеров в обечайках и днищах........................................................... 14

1.1.3. Обзор работ, посвященных оценке напряжений в узлах врезки штуцеров в обечайках и днищах методом конечных элементов.................... 16

1.2. Обзор работ по оценке прочности сосудов при малоцикловых нагрузках....................................................................................... 21

1.3. Обзор работ, посвященных влиянию дефектов сварки на прочность сосудов, работающих под давлением..................................................... 27

1.4. Выводы к литературному обзору..................................................... 35

ГЛАВА 2. Конечно - элементное моделирование упругопластического

деформирования штуцерных узлов...................................................... 38

2.1. Создание конечно - элементной модели исследуемого объекта................. 38

2.1.1. Выбор расчетной схемы и типа конечного элемента для упругого и упруго - пластического расчета............................................................ 38

2.1.2. Задание свойств материала........................................................... 39

2.1.3. Построение оболочечной модели исследуемого объекта..................... 40

2.1.4. Задание граничных условий и нагрузок оболочечной модели................ 43

2.1.5. Получение решения для оболочечной модели.................................. 44

2.1.6. Построение подконструкции....................................................... 44

2.1.7. Задание граничных условий и нагрузок подконструкции..................... 47

2.1.8. Решение задачи для подконструкции............................................. 49

2.2. Расчетная процедура упруго - пластического анализа.......................... 49

2.3. Выбор расчетного конечного элемента и размеров сетки..................... 51

2.3.1. Выбор оптимальных размеров сетки оболочечных элементов................ 54

2.3.2. Оценка точности модели с использованием твердотельных элементов в форме гексаэдров.............................................................................. 58

2.4. Моделирование трещин и расчет параметров трещиностойкости............. 61

2.4.1. Определение коэффициентов интенсивности напряжений прямым методом.......................................................................................... 62

2.4.2. Определение /-интеграла и соответствующего ему коэффициента интенсивности напряжений................................................................. 64

2.5. Выводы к главе 2......................................................................... 68

ГЛАВА 3. Анализ процесса упругопластического деформирования штуцерных узлов обечаек при статическом и циклическом нагружении внутренним давлением...................................................................... 69

3.1. Сравнительный анализ результатов расчетов НДС штуцерных узлов сосудов при статическом нагружении..................................................... 69

3.2. Упругопластическое деформирование штуцерных узлов при повторных нагружениях внутренним давлением..................................................... 78

3.3. Выводы к главе 3........................................................................ 84

ГЛАВА 4. Оценка прочности и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, в условиях малоциклового нагружения, с учетом наличия технологических и эксплуатационных дефектов в

штуцерных узлах............................................................................. 85

4.1. Сравнительный анализ результатов расчета параметров трещиностойкости методом конечных элементов..................................... 85

4.1.1. Плоский прямоугольный образец с центральной трещиной для испытаний на осевое растяжение........................................................... 86

4.1.2. Прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний на внецентренное растяжение............................................... 87

4.1.3. Плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытаний

на трехточечный изгиб....................................................................... 89

4.2. Выбор основных расчетных дефектов в штуцерных узлах и расчет параметров трещиностойкости............................................................. 91

4.2.1. Анализ протяженных дефектов..................................................... 93

4.2.2. Анализ локальных дефектов......................................................... 96

4.3. Оценка остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, на основании анализа напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов с учетом расчетных дефектов....................................................... 103

4.4. Оценка ресурса безопасной эксплуатации газосепараторов.................... 106

4.5. Оценка ресурса безопасной эксплуатации пылеуловителей.................... 115

4.6. Выводы к главе 4........................................................................ 121

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...................................................................... 122

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................... 126

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................... 135

ВВЕДЕНИЕ

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 функционирование 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, экономическими причинами: высокой стоимостью оборудования и необходимостью эксплуатации стареющего парка оборудования отработавшего проектный ресурс; возросшей конкуренцией в условиях рыночной экономики, требующей снижения себестоимости производства; ухудшением ремонтной базы предприятий и снижением производственной дисциплины.

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

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

Анализ причин аварий и инцидентов при эксплуатации сосудов, работающих под давлением, показывает, что в большинстве случаев опасными дефектами являются острые дефекты в местах конструктивной концентрации

напряжений, возникшие при изготовлении и эксплуатации - дефекты сварки и коррозионные язвы, способные привести к разгерметизации и разрушению сосудов.

Для полной оценки остаточного ресурса оборудования, работающего под давлением, необходимо располагать комплексом методических и программных документов, позволяющих провести оценку напряженно - деформированного состояния в зонах конструктивной концентрации напряжений сосудов, с учетом наличия трещиноподобных дефектов 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 обнаруживаемых 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 сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением с учетом наличия трещиноподобных дефектов в штуцерных узлах с использованием метода конечных элементов, реализуемого в компьютерном комплексе «А№У8» 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 исследований напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением;

2. Анализ экспериментальных исследований влияния технологических и эксплуатационных дефектов на прочность сосудов, работающих под давлением и существующих методов оценки работоспособности сосудов с дефектами;

3. Разработка алгоритма построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической обечайке, позволяющего учесть особенности конструктивного оформления узла, геометрию и расположение трещиноподобных дефектов, механические 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 — деформированного 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 давлением;

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 трещиностойкости - интеграла Райса-Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений трещин в штуцерном узле для условий упруго - пластического циклического деформирования;

3. Разработана методика оценки остаточного ресурса сосудов на основе получаемых 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 расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований напряженно — деформированного состояния натурных сосудов, работающих под давлением и использованием экспериментальных результатов определения параметров трещиностойкости конструкционных сталей и их сварных швов.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической 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 узлов с трещиноподобными дефектами в условиях циклического нагружения внутренним давлением с использованием интеграла Райса -Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений;

4. Методика оценки остаточного ресурса на основании расчетных величин параметров 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 -деформированного 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 интенсивности напряжений, характеризующих напряженно -деформированное состояние трещиноподобных дефектов в сварных швах сосудов, работающих под давлением, в части учета пластического деформирования и его влияния на расчетные коэффициенты интенсивности напряжений;

3. Методика расчета, рассмотренная в работе, разработана для использования экспертными организациями при оценке остаточного ресурса сосудов, отработавших проектный ресурс, в тех случаях, когда имеются условия для появления усталостных трещин - циклическое нагружение внутренним давлением, дефекты сварных швов, а также необходима 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 151000.68 «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «КНИГУ» (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 научных сессиях ФГОУ ВПО КНИГУ (Казань, 2002-2012), на Межрегиональной научно - практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» (г.Нижнекамск, 2004), Международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго - и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (г.Иваново, 2007), XXV и XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2012-2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 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 использованной литературы, включающего 87 наименований и приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 15 таблиц.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Обзор работ, посвященных оценке напряженно - деформированного состояния узлов врезки штуцеров в обечайках и днищах

1.1.1. Конструктивные решения по укреплению отверстий в обечайках и днищах сосудов

Практика эксплуатации стальных сварных сосудов, работающих под давлением, выработала ряд требований к конструктивному оформлению узлов сосудов.

Отверстия в стенках корпуса, днища сварного сосуда, работающего под давлением, ослабляют стенки, поэтому должны быть большей частью укреплены.

Наличие ввариваемого патрубка штуцера, который сам по себе является жестким элементом, является укреплением отверстия, однако существуют и другие конструктивные варианты укрепления отверстий, наиболее распространенные приведены на рисунке 1.1.

Конструктивное оформление штуцерного узла в большей степени зависит от следующих факторов: назначения сосуда, характера нагружения, размера и формы отверстия, места расположения отверстия, расстояния от отверстия до других концентраторов напряжений.

Для определения основных размеров укрепляющих элементов в Российском стандарте [12], а также в зарубежных нормах используется метод, основанный на геометрическом критерии компенсации вырезанного сечения. Для формулирования принципа компенсации вырезанного сечения (рисунок 1.2) рассматривают величины Рт ^ и ^ - площади сечения, соответственно, «избыточного» металла штуцера, корпуса и компенсируемая (подлежащая восстановлению) площадь сечения металла, удаленного из стенки сосуда для получения отверстия.

/

/

•5, /

и 1 /

1 / /

1\\\\\\V

а)

б)

в)

ч\

/

г) Д