автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Расчет элементов конструкций с защитным покрытием в условиях высокотемпературной водородной коррозии

РГб од

П Alli 'ÙÙV:

СЛГЛТСО-'ТШШ ОРЯП1А ТРУДОВОГО КРАС1ЮГО CHAÎiEHTÎ ГОСУДАРСТВЕН] МП Т1Ш!лЧЕС!С?П yiUÎBEFCÎîTiST

Кз гтрзвпх pyitorrrcrl

Itox3CH3îon СоproЯ Впдагорошп

Р^'ЧС? ППС1ЕОТО? К.-ПСТГУИГ^ с ЭАСТГШЦ ПОЯРЫТЮ В УОЛОК1ПТГ Г!iСПГГОТЕТТНРАГ^ТИОП ЕОДОРОДГОП КОРРОЗИИ

Спэцяальпость C35.23.I7 - стрсзтэяышя пэхеюта

йвторофорат дпгссертшцш па соисквппь учэной степзпл ..опдздата техгалвсках паук

Саратов - ISS3

Работа ьшшнеаа в Саратовском Трудовою Кракияч»

ЗДшеви государстьэинш техшчоскоы уииь^жатетв.

НаучшД руководитель - доктор технических ыауи, прсфосор И.Г.Овчинников.

Научная консультант - кандиле* технических наук, дацент Л.Ю.Сажюв.

Офищаяы^э алтешипы:

- доктор Ойхнпчасках паук, црофоссор ВЛС.Ииозеицез (Сарат.гооуд.пш!. университет);

- кандидат «¡аз.-дат. наук, доцаву Н.11.Иг слов (Сараг. госуд. ).

Вздувая организация - НИИХИШИ (г.Цоркьа).

Защита состоится '6'* №1993 года в /-^чьс. на заседании стюцяализированного совете И 063.56.02 в Саратовском государственном технической унвварсатвто по адресу ; г.Саратов, у л.Политехническая,77, СГТУ, ауд.201.

с диссертацией моиво ознакомиться в СЖЫшотеке ОГТУ.

Просим принять участие в вацвто в направлять Ваша отзывы 00 адресу: 410016, г.Саратов, ул.Политехническая 77, Ученый совет.

Автореферат разослан ^^ ^О/Я-ч °—■ 199а г.

Ученые секретарь социализированного Совета, д.т.н.

В,В.Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Элементы конструкций многих аппаратов, используемых в ряде отраслей промышленности, в процессе эксплуатации подвергаются комплексному воздействии длительно дей-ствугашх нагрузок, повышенных температур и агрессивных водоро-досодерааяих сред. Водород при высоких температурах и давлениях, действуя на материал конструкции, вызывает водородную коррозию (ВК), приводящую к значительному изменению его кратковременных в длительных механических характеристик, что в коночном итоге приводит к существенному снижению несущей ^лособ-ности и сокращению срока службы конструкций. Няучот вредного влияния водорода может привести к преждевременному, нередко аварийному, выходу конструкций из строя, в результате чого наносится огромный ущерб народному хозяйству. В связи с этим задача расчета напряжэнно-деформирэванного состояния (НДС) п долговечности конструкций о учетом отрицательного воздействия водорода при высоких температурах в давлениях является весьма актуальной.

Для защиты конструкций от водородного воздействия использует защитные покрытия, -выполняемые из водородоустойчивых материалов, которые приводят к уменьшению интенсивности Bit и, соответственно,- к увеличению ресурса работы конструкций. Поведение такта конструкций достаточно полно исследовано экспериментально, но теоретических разработок в этой области практически нет. Поэтому задача разработка математических моделей и методов расчета конструкций с учетом работы защита' -о слоя, а также методов рационального проектирования конструкций, подвергающихся воздействию водорода, явл-.ется весьма важной.

Тема диссерт ционной работа соответствует проблемам, решаемым в рамках межвузовской научно-технической программы "Прочность и долговечность конструкций ара нэтраднцгонннх воздействиях, нарушающих внутренние связи материала* на 19921994 гг., . головным исполнителем которой является Саратовский государственный технический университет. Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ СГГУ. а также договором о творческом содругэстве между СГТУ и межотраслевым центром "Протсд".

Цель работы заключается в построении модели расчета конструкций, подвергающихся воздействию высокотемпературного водорода, которая позволила Си значительно расширить круг репаэ-шх задач, а именно дела Он возможность исследовать поведение конструкция с защитным покрытием п решать задачи рационального проектирования конструкций, взаимодействующих с водородосодер-жадими средами; разработке методов рэсчета и проведении численных экспериментов по исследованию НДС различных конструктивных эломентов, подвергащихся ВК, как-то; растягиваемых и изгибаемых стершей и труб, толстостенных трубопроводов и круглых пластинок, находящихся пол действием одностороннего давления водорода: разработке методов расчета конструкций с заоитным покрытием и исследовании поведения этих конструкций с учетом раооты защитного слоя; разработав методики рационального проектирования элементов конструкций как без защитного покрытия, так и с покрытием.

Научная новизна работы состоит В том, что на основе детального анализа имеющихся моделей с использованием упрощающих гипотез построена (в соавторства с И.Г.Овчинниковым) достаточно простая с вычислительной точки зрения и в то же время корректная с точки зрения описания основных скспериментально на-Олодаомшс эффектов феноменологическая модель деформирования и разрушения конструкций в условиях ВК. Разработана методика идентификация иодвля с использованием различных наборов экспериментальных данных. Сформулирована математическая модель п разработвна методика расчета конструкций при наличии защитного покрытия. Получены основные соотношения н результаты численных исследований для ряда конструктивных элементов, в именно, стержневых элементов при различных условиях нагрувзшм, изгибаемых "злок, труб и круглых пластинок, элементов с защитным покрытием. Сформулирована постановка задач по оптимальному проектированию конструкций с защитным покрытием и без покрытия, работающих в условиях водорода высоких параметров, и решен ряд задач рационального проектирования некоторых конструктивных элементов.

На защиту выносятся; - модель деформирования и разрушения материалов и конструктивных элементов в условиях высокотемпературной ВК, имеющая Солее широкую область применения, чем известные модели;

- 1ТЗТ0ДПКЭ п алгоритм структурной идентификация предлолоппоЯ кололи п требования к гкспорго.тапталышм дшпшм, )шобходк«ш для идонтифтощи;

- уравнения деформирования и разрупенял ряда конструкт,шшх :;дзмзнтов в условиях ЕК, как-то. растягиваемого и изгибоемо-го стергпювого злрмэнтэ, толстостенной труби, круглой пластинки;

- ггадоль деформирования и розрувэипя конструктивных элементов с загултгшм покрытием н иотодпна расчета констручшлД с учетом работ« зашшюго покрытия п условиях водорода яри писс-кпх ттотературах я давлениях;

- постановка и мотодч решения задач рационального прорнтирова-шя моментов конструкция баз защитного покрытая п с покрытием, роботагещх в услог-илх ВК.

Практ} лоская_ 15011 ность п роплизпцая розультатов. Гозульт а-тн исслздовпниЛ в области разработки расчетной моде-.чи п методов расчета пломептоа конструкция, подаергагщпся Ж, ксполь-ауглся при анализе ЦцС сссудоз и аппаратов п ИПЦ "Протеи". Рлд пуОлгксц;;.'! пспольэуотся пспираптслп я сотрудшлса'/я Ш1 А11 Укрдош кшс кигодеискио разработки, тозволяпзио изучить и со-иостэыш» различило спосоСи учэта воздействия водородосодортэ-Г5!Х сред при расчото конструкция. Ссответствук&иЯ документ прплпгается к диссертации.

Достоверность получошых результатов обеспечивается сопо-стаздениом их с соответствуйте! зксперпменталыпкн дашага, НЗВОСТЕЧга КЗ ллт'3рэтурщ:х источнпкоя, о тат~;е удовлетворительном совпадением результатов расчетов с расчетным! далншга, получзнглми другпит азтсрг.'П.

Публзкщщи: По результатам плюляешпгх псслвдоввшй опуО-лккозано 14 работ.

Агтробяцпя рас -ти. Осноишо результата дпеезртзщш додоггэ-из п сСсу-хцеиы на слодугют конфврзпвдях и сегзгаарах: научно-тохкпесюп кснГоренцияг Саратовского гаштоагачоского гнета-тута (1Г37-ЮЭ2 гг.); Всесоюзной иаучпо-тептвскоП конторой-щш "Эксплуатационная надежность м^пян, роботов п модулой гибких про!!зподствэ1пшх систем" (г.Свердловск, 1537 г.); Всесоюзной научно-техгагческоЗ конференции "НэлиноЕнаэ задачи расчета г.снстру^щий в условиях шеоких тр'.-ператур" (г.Сарзтоз,1РЗЗг.);

зональном семшэре "Пути пошшешы аКякпшности и ноаеыюстн опстом теплоснабжения и теплопотребления" (г.Пенза, 1989 г.)! О Всесоюзном симпозиуме "Прочность материалов и элементов конструкций при слоеном напряженном состоянии" (г.Еитоьгар, 1339 г.); межреспубликанской научно-технической конфэревдш! "Численные мотоди ]тещ1я задач ■ тосрии упругости и пластичности" (г.Волгоград, 1990 г.); Всесоюзной нзучко-техшчосг.оы сомшш-рв "Применонио САПР в химпчоском и'Нефтяном мсалностроешш" (г.Москва, 1930 г.): 1Ь-м заседания межотраслевого семинара "Атомно-вэдорсдная онерготшса к технология" (гЛ!ос;свз, 1990г.): Всесоюзной научно-технической конференции "Мотоди мохшшки сплошных срод в теории фазовых переходов" (г.Киев, 19Э0 г.); 2-Я межреспубликанской научно-технической конференции "Вопроси надежности и оптимизации строительных конструкций и макан" (г.Симферополь, 1091 г.); кзлроспубликанскоь' научно-техническом семинаре "Кодэ-лированио, идентификация, синтез слотом уц-равлзтшя в хишчоских в хшико-моталлургпчосккх производствах" (г.Днепропетровск, 1991 г.); ыэггреаг/блтканской научи.)-технической конференции "Расчет и управление надокносгьв болы;-?, механических систем" (г. Екатеринбург, 1992 г.).

Объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы ( 208 названий) ц содоряит страниц мапппописного текста, _

рисунков, . таблиц.

Диссертация шполнена ¡'а кафелрз гСонротшы;оппо материалов" Саратовского государственного технического унивзректоте.

основное содерк/шне диссертации

Во вес ешш обоспошвсотся актуальность ¿»ссэртгциоипэл тош и дается кратноо ошюашо отдельных глав работы. «¿орзули-руются результаты исследований, которые шюсяхся на защиту. Дается характеристика научной новизны и отражается практичэс-кая ценность работа.

Первая глава диссертации Посвящена анализу состоякнл проблемы расчета конструкций с учетом высокотемпературной В11. Рассматриваются п анализируются окспарк,;ентальию дзшшэ по влиянию водорода при высоких температурах е давлениях на даха-ническне характеристики материалов. Отмечается, что проблема

учета плаяния водорода на нвхшшческмв свойства металлов и сплавов давно стоит перед ученши п разработчиками аппаратуры, подвергавшейся воздействии водородосодерзадих сред, и поэтому определенные розультати в реаошш этой проблеыа уго есть. Существует достаточно большое количество 8кспзришнтвлышх дан-Hiii, характеризующее воэдэйствие высокотемпературного водорода на свойства материалов. В этой связи нообходага отметить работа Ю.И.Арчакова, М.Б.Асвияиэ, В.Н.Алексеова, Г.В.Карпенко,F.А. Колачова, П.С.Пзршюва, Л.А.Гликмана, В.И.Дерябшюй, В.П.Тео-дороьича, Н.Н.Колгатона, А.Н.Картазова, И.Д.ГрзСеагаьой, Н.П. Чарииха, Г.А.Нельсона и других исследователей.

Экспериментальные данные свидетельствует о то», что в результате В!С происходит изменение как . ратковремешпа, так и длительных механических характеристик конструкционных цатериа-лов. На рис.1 показано сшсопза пластических (û,<|>) а прочностных (оа, оа 2 ) свойств стала 20 с течением времени при воздействии водорода под давлением 10 Ша п тошературе 50С J. Видно та:с;з, что в результате взаимодействия водорода с карбидами стали происходит уненьпениэ концентрации углерода (С) (обозуг-лзрогнвашт стали). Испытания стали ЗОХМА на ползучесть а дли-тельнуэ прочность п среде водорода при температура Б50°С ц да-плэшга 23,6-îG Ша показывает, что Bit приводит к увеличению скорости ползучоста, но к существенному уменьшению в о ли чины предельней дефор'.ащщ п времени шзни образцов (рис.2,3). Рис. 4 ¡1ллыстрарует неоднородное изменение свойств углеродистой стали и концентрации углерода по тояззше стеши реактора посла его эксплуатации при одностороннем давлении водорода 10 Ша и температуре 450°С.

Учот ВК при расчото конструкций монет осуществляться либо корректировкой стандартных (нормативных) методов расчета, либо построением специальных расчетных схем (моделей) конструкций, учитываэдцх процесс взаимодействия материала конструкции с ок-рукасщей водородосодерхацоа средой. Последний подход представляется более перспективам, поскольку позволяет более корректно смоделировать условия работы конструкций, приблизив их к реальным условиям эксплуатации. Следует отметить, что большая заслуга в разработке таких моделей ripiffi длешт саратовской сколе механиков под руководством академика В.В.Петрова. В на-

сл.

04

—

С 6 \

a 1 ÜT\\ -

ч.

%

ы «

29

60 АО

30 £0

Е,%

1

/ 4

Û- / №

О 20 60

dfüwi испытания , ч

Рис.!

С.МПа

О 43 ю W íCQ ÍSG £4Q t® Рис.2

t.4

бв.ЫПа ^ его

To» t,4 «8 ö m го го « so "to"

рнс 5 Толики"* стеики, wa

Рмс. 4

Отличие

ПРИШАШО

НСУДбБАЕ.ТеО-РИПЛЬЧО

Нцрстглно Доступно 4 п

Рис. 5

стоящее время создан целый ряд гзоделой деформирования и разрушения конструкций в условиях ВК, сродп которых иохно выделить следующие: I) разработана во Львове В.С.Павлиной с соавторачн п основана на довольно точном математическом описании диффузи-ошшх процессов, происходящих при ВК, но весьма упрощенно описывает поведение а разрушение материала конструкций; 2) изложена в работах И.Г.Овчинникова и использовалась для расчета тонкостеюшх конструкция, область применения ее ограничена, так как не учнтываьтся процессы ползучести ц процессы БК описываются весьма уггрсдашю; 3) разработана И.Г.Овчинниковым и А.Ю.Селиховым а учитывает практически все основные экспериментально наблпдаемыэ о-Микты,. однако довольно трудоемка при использовании; 4) предложена В.Ц.Кокова.овой и в плане примене-ш!я близка к предыдущей модели, хотя построена с использованием суцествшшо отличных завнсш-юстей; 5) представляет попытку А.Ю.Салихова и С.В.Колесникова развить модель 3 на более общий случай - с учетом температурного градиента и нестационарных воздействий, что привело к еце больному повыпашш сложности и трудоемкости ее использования по сравнения с моделями 3 и 4.

Во второй глово производится сравнительный анализ существуй^« иодолеП деформирования и разрупюш!я конструкций, подвер-гавдихся БК. Для этого используется метод экспортного опроса специалистов - разработчиков этих моделей и исследователей, рэботаицих в данной области. Результаты такого исследования представлены на диаграмме (рис.Ь),на оси абсцисс которой отражается такой своЗство моделей как простота (возможность поело-донать модель с использованием современных средств математического анализа), а по оса ординат - адекватность (степень соответствия модели экспериментально наблюдавши эффектам). С использованием такого подхода перечисленные вше модели монно расположить на диаграмме определенным образом (цифры в прямоугольниках соответствуют номерам этих моделей в порядке ~злохе-ная). Анализ положения показывает, что эти модели монно условно разделить на две группы: одни достаточно точно описывают происходящие при ВК процессы, но весьма сломш при использовании (мололи 3,4.5); другие достаточно проста при их ггрименота! , но обладают довольно низкой адекватностью. В связи с этим возникла задача создания такой модели, которая была бы и достаточно корректной и в то не время простой для численной реа-

лизации. С нашей точки зрения такая модель была построена а еа положение показано на рис.5 заштрихованном прямоугольником.

Предлагаемая в данной работе модель строится с использованием структурного подхода И.Г.Овчинникова, согласно которому модель конструкции, взаимодействующей с агрессивной средой, представляется в виде совокупности четырех составляющих «одолей: модели конструктивного оломента, модели материала, модели воздействия среда и модели наступления предельного состояния.

Для учета влияния водорода на свойства материала конструкций модель воздействия преда представляется в виде кусочно-линейного закона для параметра химического взаимодействия ц, изменявдегося от 0 до I и характеризует«го степень порагения материала в результате ВК:

0. при titjjj

(t-tH)/i;tK-tH), . apat^tet^ (1)

v 1. при t>tK,

где tH-ae-P"^'exp(Q/T) - продолжительность инкубационного периода, в течение которого не происходит изменения свойств материала; tjj^-tjj - шыент завершения химических превращений в материала. Для учета влияния напряжений о на скорость коррозионных процессов вводится зависимость коэффициента s от о в виде ге=гоогр(0'03). Здесь {,0,т],гео,0,д - константы материала, t - грамя, Г - теыпиратура, Р - парциальное давление водорода в точке конструкции, закон распределения которого по оогецу различных влеыон-ов получен в работах И.Г.Овчинникова и A.D. Салихова.

Модель ыатериала представляет собой сочетание упругого ц ползучего тела и для одноосного случая шэет вид

е=о/В(ц)+р; dp/c^BCpho11^, р(0)=0. (2)

где е - полная деформация, р - деформация ползучести. Б,В,п -коэффициента, зависящие от степени порахения материала в результате ВК. При слоеном напряженном состоянии к этим коэффициентам добавляется коэффициент поперечной деформации (ц). г Для определения момента разрушения конструкции (наступления предельного состояния) используется теория накопления повреждений в виде

dn/dt=A(n)'to/(1-n))n* Ш0)=0, (3)

позволяющем уче ть влияние на процесс накопления дисперсных

повреждений П кяк уровня напряжений о. так и ВК введением зависимостей коэфрщшнтов А и и от параметра ц. Заметим, что зависимость коздащиентов подели от ц принимается линейной для величии, получетшх для исходного и полюстью сбезуглерокошга-го материала, одного порядка (B.v.n.m) и экспоненциальной для величин раз!шх порядков (А,В).

В работе особое внимание уделено проблема идентификации предложенной модели. Отличительной особенностью разработанной методики идпнтификпции является то, что она »«окот бить осуществлена с использованием различных наборов экспериментальных данных. Это дает возможность как выбора наиболее оптимального рарианта определения необходимых коэффициентов, так и ди.юлни-тельного контроля (верификации) получаемых значений.

Адекватность предложенной модели подтверждается удовлетворительным описанием имещихся экспертентальных данных. Кроме того, проводилось сопоставление результатов, полученных В.М.Кокеватовой при расчете с теряю Я из стали ЗОЯМ при температуре 550" С при нестационарных воздействиях, с результатами, полученными с использовшшем предложенной модели. Расчетные кривые ползучести при ступенчатом изменении давления водорода (o»I50 MHa=oonet) показаны на рис.6 (кривая I). Кривые 2 и 3 получены при постоянном давлении водорода 5 и 10 УПа соответственно. Поведение стержней при ступончатом изменении уровня напряжений (Р=5 fffla^oonat) иллюстрируется рис.7, где кривая I соответствует изменению о от 175 до 150 НПа, а кривая 2 - наоборот. Данные В.М.Ксжоватовой показаны птрихпунктирными линиями, а полученные по предложенной га до ли - сплошшми. llx сопоставление показывает достаточно точное совпадение .га времени жизни элементов и некоторое отличие в деформациях, что вполне приемлемо при существенно различных подходах к описания происходящее при ВК прс зссов. Однако отметим,что при реванш этих задач с использованием модели В.М.Кожзватовой приходится пригонять довольно трудоемко численные методы, .для обеспечения точности и устойчивости которых необходимо особая тактика выбора шага интегрирования кинетических уравнений, тогда как использование предложенной модели позволяет это делать значительно проще и в ряде случаев аналитически.

Далее в этой главе рассматривается проблема учета работы защитных покрытий при расчете элементов конструкций в условиях

43 ..а,___ ¡0 1, 1 1 1 30 О 50 К Рис. С Ю 60 £0 150 »

,6^75ЫЛа 2.

*

1 %6Н50 МПа а)

О 40 £0 50 40 50 60 70 60 50 <00

Рмс.7

водорода высоких параметров. Рассмотрены различные способы защиты конструктивных элементов от ВК а критерии эффективности защитна покрытий. Отмечается,что и ряде случаев при наличии защитного покры-тя период нестационарной диффузии водорода может быть весьма продолжительным и сопоставимым со сроком служ-

Он конструкции Текла конструкции рассчитываются баз учета В:-;, И СрС(1-! ИХ ГЯ31П1 М033Т СПрОДЧЛЯТЬСЯ по ВрОНОШ! С0ХрШ!61ГШ1 покрытием своих защитных свойств, которое, в свои очередь, »¿оаэт бить найдено из условий: либо максимальная концентрация водорода на поверхности основного металла, либо глубина прошнсю-вегам водорсдэ в толпу основного металла, либо количество поглоданного металлом водорода не долпы првЕшать соответствую--пах им предельных значений.

Однако в больпинствэ случаев стационарный поток водорода устанавливается довольно бистро и под слоем защитного металла, который не во шалодействует с водородом, попет происходить ВК нэталла основы. Существуйте катоды расчета таких конструкций в основной заключаются в тон, что учить ^аотся только защитные способности покрытая,позволяпзде уменьсить агрессивное воздействие среды, и вообде не учитывается работа покрытия как конструктивного слоя,воспринимающего часть силовой нагрузки. Для ропонзя этой ггроблег.сы авторов предлагается следукць. подход. Считается, что поведение материала защитного покрытия и основы описывается одной математической моделью с разными коэф^нциец-т&чи для каядого слоя. Отличие в расчете такой двухслойной конструкции от обычной заключается в тон, что к появляющейся в результате ВК неоднородности свойств материала добавляется изначальная неоднородность. То ость в начальный момент времени имеем неоднородную конструкцию,в которой в процессе воздействия водорода появляется дополнительная меняющаяся с точением времени наведенная неоднородность. Такой подход позволяет легко алгоритмизировать процедуру расчета конструкций с защитным покрытием и. кроме того, использовать подход, отработанный ранее для обычных конструкций. Отиетин также, что в этом случае не представляет сложностей и учет работы переходного слоя, который иогет возникнуть при взаимодействия металлов покрытия и основы. >

Таким образом, модель расчета конструкций с защитными покрытиями строится на основе предложенной сызе модели, где для защитного (плакирушего) слоя определяются коэффициенты Еп,г>п, Вц.Пц.Ад.Од, не зависяние от параметра ц, так как взаимодействия этого слоя с водородом не происходит, ллияние водорода на свойства основного слоя будет описываться уравнением (I), где закон распределения давления водорода по объему конструктявно-

го элемента учитывает защитные свойства покрытия. Анализ экспериментальных данных показывает,что в ряде случаев в материале плакирующего слоя могут отсутствовать процессы ползучести и тогда модель учитывает работу этс.-о сдоя только в упругой стадии. Рассматривается также возможность возникновения в результате перераспределения напрлжоний пластических деформаций защитного покрытия. Отмечается, что в этом случас макет происходить снижение или полная потеря защитных свойств покрытия, и предложенная модель позволяет учитывать эти эффекты.

Третья глава посвящена разработке методик расчета конструкций, подвергающиеся ВК, как при отсутствии защитного нокрн-тил, так я с покрытием. При этом использовался широко распространенный метод последовательных возмущений параметров.

Рассмс.рен расчет изгибаемого моментом II и растягиваемого усилием Н стержневого элемента площадми сечения Р при одностороннем воздействии водорода. Используется гипотеза плоских сечений. Разрошапдая система уравнений для определения приращений деформации растяжения Део и кривизны Ai? имоет вид: J -Ле„ + J >Ак = АН - 0 1

о о . о (4)

J, "Аео + J4 'Ak = АН - Ct J ,

где J¿= J E-a1«!? ; 0Х= J l(e0+k.E-p)*AE - E-Apl-i^üF ,

в - координата,отсчитываемая от центра тягости сечения в плоскости действия"момэнта.

"На начальном ЪТ&ш находится упругое решение, после чего решается задача ползучести стершя с учетом воздействия водорода. Расчет ведется шагами At по времени, на котлом из которых приращения полных деформаций и напряжений в квкдой точке конструкции определяются как

^=Лео+ДК-е; До=(е-р)-ЛЕ + Е-(Ае-Ар). (5)

Получены результаты расчетов стерзией прямоугольного сечения без защитного покрытия и с покрытием при воздействии водорода со стороны наиболее растянутых волокон, а такта трубчатого сечения без покрытия при внутреннем воздействии водорода. На рис.8 представлена расчетная схема, геометрические размер!, параметры внешних воздействий и результаты расчета трубчатого стержня из стали 20 при 600°С. Приведено распределение продольных налрякений по толщине стенки трубы в различных сечени-

ях для цементов времени: I - t=0; 2 - t=7,2 ч; 3 - t=2G,3 ч; 4 - 0 ч. Видно, что о течением времени в результате

процессов ползучести и ПК происходит интенсивное перераспределение напрязэний. Двойной штриховкой показаны области, где к моменту разруиения t=tr материал полностью изменил свои свойства в результате ВК, а одинарной - только частично (переходный слой). Видно, что влияние напряжений приводит к неравномерному распространению ВК вдоль радиуса трубы. Показано также изменение параметров химического взаимодействия ц и певреяденности П для наиболее нагруженного сечения. Отмечается, что разрушение трубы начинается с внутренней поверхности, где напряжения «еньие, чем на внесшей поверхности, но снижение прочностных свойств материала в результате ВК еще ' яачительнее.

Штодика числегагаго решения данной задачи основана на ис-пользоаашш модифицированного метода Эйлера для интегрирования уравнений (2) и,(3) и кубатурной формулы Сишсона при вычислении интегральных коэффициентов в (4), при атом для (оначно-разностнсЗ аппроксимации сечения использовалась двумерная сетка о разбиением толцшш стегаш трубы на слои вдоль радиуса и на сектора по округлости. Методика расчета как этой,так и других решаемых, в роботе задач предусматривает процедуру выбора оптимального шага по вре?.!ени для обеспечения необходимой точности решения при шшшалыюм объеме вычислений.

Была решена задача анализа НДС ц долговечности толсто-стегаюй трубц без защиты и с внутренним плшеирупяим слоом, па-гругенной внутренним давлением водорода. Основное разрешающее уравнение имеет вид

d1 ior düor -¿¿Г + 'Hf- - "ÜVr где Аог - приращение радиального напряаения на рассматриваемом шаге по времени; г - радиальная координата; коэффициенты Ot ,3, являются функциями r,3,v; F учитывает изменение свойств и ползучесть материала. На начальном этапе (при t=0) находится упругое решение, которое сводится к решению задачи Ламе для однородной трубы и задачи Гадолина для трубы с защитным покрытием. После этого на кандом шаге по времени решается двухточечная краевая задача (6) с однородными крае ыми условиями, для чего используется метод прогонки. Дифференцирование функций при определении коэффициентов 0t,Оа ,Р осуществляется по кнтер-

Г * -Лг2 ♦ 0,-Ао,. = Г , (6)

-^ U-UkH«

lo

65 75 65 60 V) W W 3Û )Î9 МПо О 0.5 i 0 W •»

Рис. е

подяцжлшоЗ фэрмулэ Иыатона. Решение задачи Коли для уравнен?. (2) и (3) здесь п во всех последушпх задачах осуществляется с использованием модифицированного иотода ЭЗлерэ, пвляхг.егоея разновидность» методов Руигв-Кутта,

На рзс.Э представлен результаты расчета двухслойной труси пз стали 2СЫ2Х13 при 500°С. Показано распределение давления водорода по тояздно стешш, в тшсэ измэнеш'.о пнтенсизнос-той деформаций а напрагапий и параметра (X в различные иомен .и; времени: I - <=0; 2 - г=2Б ч; 3 - 1=226 ч; 4 - <ИГ»-305С1 ч. Анализ результатов показывает, что с течышым времени происходит интенсивное перераспределение напряжений как меаду основным п плшшрувгза! слоем, ток ц в слое осиоеного металла, под-пэргапдогося ВК, Необходимо отметать, что несмотря на суцест-сопное пошаение напрягений э зе^ятном покрытии разруление' происходит в основном слоо на грысще контента, где наблюдается наиболее интенсивное воздействие водорода.

В работе получены уравнения, сппсывавдие деформнроваше и разрушение круглой пластинка, подвергаздейсл односторошмму давлении водородосодерзазей среди. Используются известные гипотезы тепшчоской теории изгиба пластин. Основное разрешающее уравне1Ш9 для определения приращений прогибов Ая имеет вид <3* * -

— лп т\

где а Р, зависят от значении В н v, а ¿9 учитывает процессы ползучести материала и изменения его свойств в результате ВК. Дискретизация задачи расчета осуиествлявтся двумерной сеткой узлов по толщине и радиусу пластинка. На начальном этапе находится упруго« решение, которое для однородной пластинки является аналитическим. Для двухслойной пластинки такое решение нокет быть получено с использование!! уравцо!шя (7) при <=0. В этом случае ревешв сначала осуществляется как для однородней плас-тшшх пз основного металла, а затем репение производится шагами по ЛЗ и Лу для защитного слоя до тех пор, пока в этом слое они не примут требуемых значений. Далее расчет ведется шагами по времени дг. Для реиения уравнения (7) ра каздом паге методом прогонки реиается двухточечная краевая задача относительно йАэ/Лг. после чего для определения Лв решается задача Кошн.

¿0, (7)

О ¡0 Э И О С2 Ы ftS М « . О ÜÍ5 0.5 W5 4

Míh *

Пг^О 7,5

7.0

€.5

»r

П= $5

№ -г \ — С) е) <t D А")

1 Г

IV — \ \

1 А Ч, <

к' \ ч — -- — --

A¡\>

40 a Í0 НО <20 «О -ISO 200 МПа О Cti5 0.5 Q.75 \

Рис.8

Сингулярность в ко&ффшионтах уравнения (7) при j>0 исклачаотся методом З5бсткого дцска. Интегрирование функций по толщина плас-тшпси при определении Ft и Рг осуществляется по формуле Сишсо-на. На рис. 10 приведены результаты расчета «метко защемленной круглой пластинки из стали 20 при 6QO°c, где показано изменению w(r), а тшке радиальных напряжений и дофораацаЯ а параметра ц по толщине пл а с папа! при г-н/5 в р,' личные uomqutu вреыонц. lía рлс.Юи показаны зоны поражения материала водородом при t=t . Результаты ^асче-а аналогичной пластинки, но с защитным

а) ,

4Î Í8 10 Г М1,

\V, »м ."2, mu (r = R/5)

\

15 C.3 -0.5 -1.5

Ш.

5 N,

\

i - t»0 3 - t = 3.8 4 3 - t=<6.6 4-----

-2.3 -i

2,3 1,5 0,5

-1,5

л)

2

o)

U0 -íCO. О ro (СО MJÎa o 0,5 4 -0.6 -0.1 -0,2 0 0,2 0Л

Рис JO

2,м«л(г=Я/5)

5)

o) PKj~ £9 Mfla

/Л^Ашл

---Г7Т......t>;

yÇt'ffTt'fJ'

P,i =20 fifia I--

2 ' P.= 50/«1

—i-1--

I r teO

l-t«iS,S4__

"^Г 3-t-* 31.3 ч

- no -C3 -30 O w «O -150 JOO МПа O 05 í -0,S-ОЛ -ОД 0., Ô.Î

Рис Л "д

сдоем in стали 12ХШП0Т, которая не испытавгот ползучастп б данных условиях представлены на рис .11, где показвио распределение ог,ег,ц при r=R/!3 в различные момента времени. Видно,что отсутствие ползучести материала за:штного слоя приводит к гюш-ершто напряжений в stcm слое Солее чок в 2 раза.

Четвертая гл?ва посвяцвна формулированию постановок п разработке методик решения задач рационального проектирования элементов конструкций. работппдих в условиях ПК. Отмечается, что проблема оптимизации конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, - это новая проблем, котороп впервые бп.гг. поставлено в работах Ю.М.Почтыана. Рассматривая обцую постсковку задач оптикальиого проектирования конструкций, подворге-шихся ВК, в работе продлагазтся запись целевой функции в виде F(ai.b1.xi,q1) = | Т - t(ai,Ri,xi,qi) j = min , (8) где - геометричрские параметр;! конструкции, Rj - параметры материала, - параметры химического езекмэдоЯстепя содо-рс'Да с материалом конструкция, q^ - другио порклтры, t - громя 2СИ31Ш конструкшш, Y - заданный срок сдукб;; конструкции.

Постановкой соответствующих ограничения, удоьлотворятгж требованиям эксплуатации:, технологичности, конструктивны?.; и другим, производится существенное упрощенно оСпзй постановки задачи оптимизации (уменьшение ое мзрпости) к сведение ео к задачам рационального проектировшшя, икекгопд в ряде случаев однозначное аналитическое рэгснЯо. Гссюты при этеп осуществляются с использовахшеп прШйШШОо в гибото ?«шш расчета конструкций в условиях ВК.

В работе сфоргулировапа постановка боло о 30 копзфэттнгх задач рационального проектирования конструкций, среди которых растягиваемый стергашь, тонкостошая оболочка, толстостенная труба и круглая пластинка в нейтральной п вэдэродосодораапой среде как при наличии,так и при отсутствии защитного покрытая. Получены роивши некоторих из этих задач. В тоблаю прпвздепы результата определения толщш тонкостошшх труб без оапргпгого покрытия и с покрытием при внутреннем давлэгаш водорода или нейтральной среды. В качестве задаваемых параметров прнязма-лись давление среда Г, впутрогапй радиус гв и ресурс t. При этом для труб с задатшм покрытием ставилось дополнительное ограничение, исключающее появление ВК в основном слое металла.

Р.ИПа Гв ,И1 t,4ac ■с звдтишпщ>'. ьоэ завдтн.шжр.

h ,мм п h ,мм о Ь.мм ь ,т вод'

10 БО 1000 1,28 3,61 4,89 6,05 7,96

10 БО 10000 2,54 3,72 S.26 6,50 9,63

10 76 1000 1.92 5,41 7,33 7,57 11,94

10 76 10000 3,81 5,58 9,3? 9.75 14,45

1Б БО 1000 2,19 5,16 7,35 7,77 12,44

16 БО 10000 4,22 5,19 9,41 10,07 15,18

Полученные результаты могут быть использованы в качестве некоторых рекомендация разработчикам химической аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Диссертационная работа посвящена решению проблемы расчета конструкций с учетом высокотемпературной ВК при наличии или отсутствии но конструкциях защитных покрытий.

2. lía оспопо анализа большого объема эксперимопталышх дашшх и сопоставления судествущих моделей деСормироБ8;шя и разрушения конструкций в условиях ВК предложена новая математическая модель, обладащая рядом преимуществ по сравнению с существующими, а именно, она позволяет при достаточно высокой адекватности существенно упростить и сократить объем вычислений п, соответственно, значительно расширить круг решаемых задач, рассматривая расчет конструкций с защитным! покрытиями а постановку-задач рационального проектирования конструкций.

3. Разработана методика идентификации предложенной модели деформировать и разрупэния конструкций о условиях "одородной коррозии с использованием различных наборов экспериментальных дашшх. Разработанная методика позволи. определить коэффициента расчетной попел1 для ряда конструкционных материалов, что будет использовано ' прл заполнении базы дашшх по математическим моделям расчета конструкций, подвергавдпхся ВК.

4. Продлогенпая математическая модель использована для проведения численных экспериментов и анализа дефор>стрования и разрушения ряда конструктивных элементов, подвергапзяхся водородной коррозии: стергпевнх элементов при одноосном растягешш в сроде водорода в случае ползучести п релаксации иапрягений, а тага» при ступенчатом изменении всестороннего давления водо-

рода в уровня растягивающих напряжений; изгибаемого и растягиваемого стержня прямоугольного в трубчатого сечения при одностороннем воздействии водорода: толстостенной трубы при внутреннем или впеонем давлении водорода; круглой пластинки при одностороннем давлении водорода.

Б. Построена модель деформирования и разрушения конструкций с учетом работы защитных покрытий. Разработана методика расчета конструкций с занятными покрытиями и решены задачи по анализу НДС в долговечности ряда конструктивных элементов при наличии плакирующего слоя: изгибаемого и растягиваемого стержня прямоугольного соченил, толстостенной трубы и круглой пластинки при одностороннем давлении водорода.

6. Регяьтаты численных исследований показывает, что предложенная модель позволяет довольно эффективно выполнять расчеты конструктивных элементов как боз покрытия, так и о учетом работы защитного покрытия. Причем в ряде случаев при достаточно простых по характеру напряженного состояния схемах нагружения конструктивных алементов'испольэовшше данной модели позволяет получать аналитическое решение. В случае расчета сложных конструкций модель но требует разработки особых приемов интегрирования дифференциальных уравнений и позволяет получать результат на ЭВМ среднего класса за приемлемое время.

■ 7. Предоожеякед »m деформирования и разрушения конструкций в условиях .водородной коррозии как без учета, так я о учетом работы защитных покрытий позволила сформулировать постановки ряда задач рационального проектирования конструкций, в том числе, задач определения оптимальных толщин основного в плакирующего слоев металла тонкостенных я толстостенных труб я круглых пластинок при заданных параметрах нагрузки, внешних воздействи._х я ресурсе (сроке службы) конструкций.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следупцих публикациях:

I. Салихов A.D., Колесников C.B. Прогнозирование ресурса нагруженных элементов конструкций с учетом водородной коррозии //Эксплуатационная надежность машин, роботов в модулей гибких производственных систем. Тезисы докл. Всесоюзы.науч-го-техн.конф. - Свердловск:УдаШП АН СССР, 1987. - С.44-46.

П. Се.п:псз s-'O., Мояссгсксеа C.B. Влияние хсагюскя-активЕсй агрессивной среды па дофор^ровашш толстостенной цилиндр-чосяса оболочirj з неоднородной тенперптур.чом 1шо задачи расчета тонкостешшх кснструшхй!. ¡'агззуз. науч. CÖ. - Сарзтоп: Изд-па Сарат.уз-та, IS39. - С. 69-71.

3. Салихоз A.D., Юзлеснзксз C.B. Длительная прочность труб в условиях хнтаческой поррозиц//Пута повышения ^¿^октишюсти я надежности систем теплоснпбгзкия и тепдопотреблзшш. Tonnen докл.к зональному сошшару. - Пенза: Пр-.1г.о^с:сй дам1 паучно-тохшческой пропаганды, 1989. - С. 74-7G. Колесников C.B., Салихоз A.D., Озчшшнхов И.Г. Оценка проч-иоста п долговечности сосудов высокого давлэ!ия с учетсч водородной коррозии //Прочность нат'плалоа и зленэнтов кои-струшсгЛ при слогтюч напряжение:! состолнп!. Тоз.докл.П йсэ-соззн.сшлп. Û 2 ч.- ¡Шев:1ШП АН УССР, ICS9.- Ч.1.- С.67-63.

5. Салихся A.D.,'Колесников C.B. Обоб^егшая гадэль длительной прочности о пз1'.зипгпр;.шся d процессэ воздействия '"расснв-шя сред парг»этра::л // Прикладные проблема прочности и устойчивости хофсрлруеглн систем в агрэссявшх средах. Usr-вуз.нэуш.сО.-- Саратов:Сарат.политехи.пн-т, 1289. - C.78-ÖI.

ß. Салихов А,Ю., Колесников C.B. Проблемы пденпфшацди моде-лч расчета элементов конструкций, взаимодействующих с хшги-чвс!ш-Ективпшл1 аграссшип&л сред спи. - Саратов :Сарат.полнили.ин-т, 1988. - 25 е.- Деп. О ВИНИТИ, Й 1067 - В89.

7. Колесников C.B. Анализ напряжений в трубопроводе при ползучести в условиях водородной коррозии //Численные методы ре-пения задач теории упругости и пластичности. Тез.докл.Uea-респ.научно-техн.конф. - Волгоград:ЕИС11, 19Ю. - С.146-147.

8. Колосников C.B., Овчинников И.Г. Применение численных методов к анализу попрятанного состояния и повревденности трубчатых конструкций, подвергается водородной коррозии//Пра-иэизшв САПР в химическсу и нефтяном машиностроении.^Тезисы докл.Всэсоюзн.семинара.- U.:ЩПШЙКМНЕФТШАЛ), 1990. - С.14.

9. Колесников C.B. Деформирование и разрушение растянутого трубопровода в условиях водородной коррозии // Матер.конф. "Молодежь и научно-технический прогресс". - Саратов:Изд-во Сарат.ун-та, 1991. - С. 14.

10. Салихов A.D., Колесников C.B. Расчет оптимальной толаины защитного слоя трубчатых конструкций, работакцих в аграсси-

вннх сродах //Матер.2-й пауччо-техл.конф. "Вопроси падокпос-тя и оптимизации строительных конструкций и малин".- СгалХ-з-рсяоль: reo Крымского управления по печати,1991. - C.83-Q4.

11. Овчинников И.Г., Салихов A.d., Кйяэсгшков C.B. Рсботост-соЗность металлических конструкций в условиях воэдоЯеïixt. водорода // Вопроси атбмноЗ науки и техника. Сер.Ядэр.тоха. к технол., 1991, J¡г. - С. 35-37.

12. Овчинников И.Г., Колесников С.В.' Уравнение состояния д.чл материала. подвергающегося водородной коррозия прл шсо:;'.:х температурах к давлеьшях, п ого анализ. - Саратов:Сарат.па -литехн.ин-т. 1991. - 28 О. - Лэп. В ВКШГГЙ, £• 284-В92.

13. С&яихов A.D., Колосников C.B. !,'отод расчете ïojtohu-зиготного слс - олементов конструкций по крлторз» ресурса // Fco-чет и управление надежность» большие кохенических енотом. &чформ.материалы. - Екатеринбург: -Наука. 1532.- С.78-79.

14. Колосников C.B. ДзфорцироБашо н разрушаю трубчатых аез-изнтов конструкций, иодавргещпхея Ецсстмтскпературнсй со-дородной коррозии//Проблеш тоорак пластин,снЗолэчек й стср-югавых систем. Ыекьуз.научн.со. - Саратов: Серзт.пагаггезш. ИН-Т, 1392. - С.47-Б8.

Колесников Сергей Внктсрогач

расчет здийиш гажешкгш а з&вшш папшт*.

В УСЛОВИЯХ ¡ШВОТЕШЕРАТУРПОЯ ВОДОРОДНОЙ KOFPO&EÏ

.Автореферат Ответственный sa выпуск ЮД.Фурцэв

Корректор Л.Л.Скзорцова

Подписано в печать 26,03.30.

Фермат 60X84 1 16

Уч. — юли .1. I ,5 Бег платно

Тираж iuu so. 3«« 6I

Саратовский iосу дарственныЛ ге*яи1сскн8 уил»ерснтгт

100

410016 г. Саратов, ул. Политсхпнчесха», 77

Ротапринт СГТУ. 410016 г Саратов, ул. Полит** ничсска». 77