автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Состояние котла цистерны при воздействии очага пламени в аварийной ситуации

804615505

На правах рукописи

МАСЛОВ З^ЬЯ ГЕННАШ^ВИЧ

СОСТОЯНИЕ КОТЛА ЦИСТЕРНЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОЧАГА ПЛАМЕНИ В АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 2 ЛЕН 2010

Москва - 2010

004615505

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)":

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Беспалько Сергей Валерьевич

Официальный оппоненты:

доктор технических наук, Воронин Николай Николаевич кандидат технических наук, Александров Михаил Дмитриевич

Ведущая организация - Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС)

Защита состоится « /5 » (РеЯ'а^Мг 2010 Г. . на заседании

диссертационного совета Д218.О05.01 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9 стр.9, аудитория 2505 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « Отзыв на реферат, заверенный печатаю, просим направлять по адресу Университета

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

А.В. Саврухин

с--

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Перевозка грузов по железным дорогам в цистернах занимает одно из важнейших мест в общем объеме перевозок. Это связано, с одной стороны, со значительными потребностями различных отраслей промышленности в подобных грузах, а с другой стороны, с высокой экономической эффективностью применения железнодорожных цистерн.

Наиболее широкое применение в нашей стране имеют нефтебензиновые цистерны. Поэтому они были выбраны в качестве объекта исследования в данной работе. Цистерны должны соответствовать требованиям безопасной эксплуатации на сети железных дорог в условиях постоянного ужесточения условий эксплуатации, необходимости обеспечения экологической безопасности. Поэтому конструкторы вынуждены уделять повышенное внимание поведению цистерны в аварийных ситуациях и разрабатывать системы защиты.

Одним из наиболее опасных аварийных режимов является попадание котла цистерны в очаг действия открытого пламени (пожар), особенно при наличии в котле перевозимого груза.

Значительное локальное повышение температуры котла в очаге пламени влияет на состояние котла в двух аспектах. Во-первых, сами температурные перепады вызывают напряжения в оболочке, а во-вторых, при нагреве существенно изменяются механические характеристики металла котла, что в условиях действия внутреннего давления приводит к дополнительным, весьма значительным деформациям и напряжениям.

На рис. 1 показана фотография последствий подобного аварийного воздействия. Из нее можно заключить, что разрушение котла произошло как вследствие тепловых деформаций в процессе пожара, так и из-за взрыва. В результате действия на котел открытого пламени вероятен пролив перевозимого продукта и угроза экологии окружающей местности.

Направления работы в этой области связаны с исследованием сценариев аварийных ситуаций при воздействии открытого пламени на котел цистерны. Важным этапом исследований в этом направлении явились разработанные ВНИИПО совместно с МИИТом дополнения к «Нормам для расчета и проектирования вагонов...», содержащие сценарии аварийных ситуаций.

Рис. 1. Последствия нахождения котла цистерны в очаге пламени

В результате основное внимание исследователей стало уделяться второму направлению исследований - разработке способов защиты и предотвращения катастрофических последствий аварийных воздействий. Способ защиты путем соответствующей сливо-наливной арматуры можно считать достаточно глубоко проработанным.

Один из наиболее эффективных способов защиты котла от подобных воздействий состоит в нанесении огнезащитного покрытия на поверхность котла. Главная задача подобного покрытия в случае возникновения пожара - дать время формированиям противопожарной обороны на развертывание и применение средств пожаротушения. Предотвращение разрушения оболочки в течение гарантированного интервала времени достигается за счет изменения свойств покрытия при повышении температуры и ограничения теплового потока к котлу.

Следует отметить, что данная проблема исследована недостаточно. В этом направлении необходимо, с одной стороны, иметь возможность определения напряженно-деформированного состояния несущей оболочки котла при действии повышенных температур в очаге пламени. С другой стороны, необходимо иметь возможность учета и выбора параметров огнезащитного покрытия при пожаре.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей диссертационной работы является моделирование состояния котла нефтебензиновой цистерны в очаге пламени с возможностью учета огнезащитного покрытия.

Для реализации названной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработка методики определения и исследование состояния котла цистерны при воздействии неравномерного температурного поля в очаге пламени;

- разработка методики определения и исследование состояния котла цистерны, вызванного действием внутреннего давления, при локальном изменении механических свойств материала котла в очаге пламени;

- разработка методики и оценка устойчивости оболочки котла цистерны при локальном повышении температуры от воздействия пламени;

- оценка эффективности способа защиты котла цистерны -при помощи нанесения наружного огнезащитного покрытия СГК-2;

- оценка достоверности разработанной методики определения состояния котла цистерны на основе данных экспериментального исследования специально сконструированных образцов.

Научная новизна.

1. Предложена математическая модель, алгоритм и программа определения состояния оболочки котла цистерны, вызванного воздействием неравномерного температурного поля при нахождении вагона в очаге пламени. Математическая модель базируется на нелинейной теории оболочек и принципе Лагранжа. Использована аппроксимация перемещений, близкая к реальной форме, что позволило получить эффективную методику, не требующую применения МКЭ.

2. Предложена математическая модель, алгоритм и программа определения состояния оболочки котла цистерны при действии внутреннего давления с учетом локального снижения жесткости оболочки в очаге пламени. При разработке математической модели применены нелинейная теория оболочек и принцип Лагранжа.

3. Разработана методика оценки устойчивости котла цистерны при локальном повышении температуры. Решена задача оценки термоустойчивости для случаев пластины и оболочки котла цистерны.

4. Теоретически и экспериментально исследована и обоснована эффективность огнезащитного покрытия СГК-2 для защиты котлов цистерн от пожара.

Практическая ценность.

1. Проведено исследование состояние котла нефтебензиновой цистерны при воздействии неравномерного температурного поля в очаге пламени. Оценено влияние различных параметров расчетной схемы на результаты расчетов.

2. Проведено исследование состояние котла нефтебензиновой цистерны при действии внутреннего давления с учетом локального снижения жесткости оболочки в очаге пламени.

3. Исследована проблема термоустойчивости для случаев пластины и оболочки котла цистерны.

4. Предложены средства математического моделирования, которые позволяют на стадии проектирования оценивать состояние котлов цистерн при аварийных воздействиях открытого пламени, а также разрабатывать средства защиты котлов цистерн при аварии.

5. На основе теоретического и экспериментального исследований подтверждена высокая эффективность способа защиты котлов цистерн от действия открытого пламени путем нанесения огнезащитного покрытия СГК-2.

Достоверность предложенных средств расчетного моделирования подтверждена путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными.

Общее содержание работы.

Представленная диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, выводов, библиографического списка. Она включает 147 страниц машинописного текста и 36 рисунков.

Краткое содержание работы

Первый раздел. Объектом исследования в данной работе является котёл цистерны с возможным нанесением огнезащитного покрытия СГК-2. На основе литературных источников был выполнен обзор конструктивных особенностей и существующих методов расчёта котлов цистерн, в том числе на тепловые воздействия.

Железнодорожным цистернам свойственно большое разнообразие конструктивного исполнения котла, обусловленное особенностями перевозимого груза, характером эксплуатационных видов нагружения. Наиболее уязвимая зона, с точки зрения нахождения в очаге пламени, - это цилиндрическая часть котла между шпангоутами.

Вопросы исследования тепловых воздействий на оболочки котлов нашли глубокую проработку в исследованиях, выполняемых ВНИИПО, НПО «Криогенмаш», Московским институтом теплотехники (МИТ).

Применительно к железнодорожному цистерностроению задачи, связанные с тепловыми воздействиями, исследованы недостаточно полно. В частности, для неф-

тебензиновых цистерн проблемы обеспечения безопасности при аварийных тепловых воздействиях практически не проработаны, хотя нефть и нефтепродукты, согласно классификации ООН, относятся к опасным видам груза, и аварийные ситуации в случае разрушении котла могут приводить к весьма серьезным последствиям.

В последние годы активизировался интерес к исследованиям в области обеспечения безопасности при эксплуатации цистерн. Общим направлением исследований является разработка систем защиты котлов цистерн для перевозки опасных грузов.

Был проведен анализ существующих литературных источников. В результате были определены следующие предпосылки, которые учитывались в настоящей работе при получении методик расчета котла цистерны:

- применение тригонометрических рядов для аппроксимации перемещений, что позволяет упростить расчетные зависимости;

- возможность пренебрегать эффектами инерции тепловых процессов;

- учет влияния повышения температуры на механические свойства материала котла;

- необходимость учитывать действие внутреннего давления в котле;

- выбор в качестве средства защиты котлов от воздействия открытого пламени огнезащитного покрытия, резко снижающего теплоотдачу на поверхности котла;

- учет того, что в очаге пламени в котле возникают существенные градиенты температур, вызывающие тепловые деформации и температурные напряжения.

Второй раздел посвящен моделированию состояния котла цистерны от действия внутреннего давления с учетом локального снижения жесткости оболочки в очаге пламени. На основе принципа независимости действия внешних нагрузок данное воздействие рассматривалось отдельно от неравномерного температурного поля с последующим суммированием результатов.

Для моделирования состояния оболочки (рис. 2) была применена нелинейная теория оболочек.

Геометрические соотношения этой теории имеют вид:

1 (дю}2 _ м \ ( дм/ \ _ <5м дд2\у Ъ'усЬ) ' £2"я + 2 '\jtdp) ; С°~ дх' Л-д/}; {,)

2... Я2.

д2\у ___ду__

'я2-д/32> Т~ Я-д/З-сЬс'

в

Рис. 2. Расчетная схема оболочки

где £ь £2 - деформации растяжения-сжатия в направлении образующей и в окружном направлении; со - деформация сдвига; х2 - деформации изменения кривизны в плоскости образующей и в плоскости направляющей; т - деформация кручения; и/ - радиальное перемещение; Ох(к - цилиндрическая система координат; Я -радиус срединной поверхности. Физические соотношения:

^=В-[(е]-ег)+м{г2-£т));М2=В-[(е2-ет)+м{е1-ет)]. ^ = (2)

Мх - ^-[(х, ~хт)+/л(х2 -хг)].Л/2 = ■ [(х2 -хг)+/л(х] -хг)]. II = Ос-г

где Nь ЛГ2 - внутренние усилия растяжения-сжатия в направлении образующей и в окружном направлении; 5 - сдвигающее усилие; Ми М2 -изгибающие моменты, действующие в плоскости образующей и в плоскости направляющей; Я - крутящие моменты, действующие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и равные по величине; ет, хт — чисто тепловые деформации растяжения-сжатия и изменения кривизны; Е— модуль упругости материала оболочки; ц - коэффициент Пуассона материала оболочки; , " , ' " 12.(1 + //)" цилинд"

рические жесткости оболочки на растяжение-сжатие, на сдвиг, на изгиб и на кручение; И - толщина оболочки.

В очаге пламени в оболочке котла помимо деформаций растяжения, характерных для действия внутреннего давления, появляются деформации изменения кривизны, которые описывают выпучивание.

Геометрические и физические соотношения в матричной форме:

£ = М> • £?, + М2 ■ 32 ; Ы = [В] (ё-ёт),

где £ = {£1,£2,со,К1,К2,т} - вектор деформаций оболочки;

- вектор внутренних усилий; Ёт = {ет, £т, 0,0,0,0} - вектор чисто тепловых деформаций;

<?1, - векторы, преобразующие перемещения в деформации; В Вц О ООО

(3)

(4)

В ¡л в о о

о о

о о о

Вс о о о

о о 0 0 0 В Ци 0 Цц В О О О я

• матрица жесткостных характеристик.

Выражения для напряжений в оболочке имеют вид: Ш\ .

2

И к к2

6Н

_Ы2,6М2 _ _ ' °~22 ~ ~к ' °"21" Ст12 ~ к2'(5)

Разрешающая система уравнений составлялась с применением вариационного принципа Лагранжа:

сК\-' ' (6)

в уравнение которого входят:

1 я « _

потенциальная энергия деформации 9 ] ] (7)

** п п

о о

а а

А = 11 дхь'Кс1/Зс1х

и работа внешних сил J J" " , (8)

о о

где д - величина внутреннего давления в котле.

Потенциальная энергия была выражена через перемещение \\> оболочки путем подстановки исходных соотношений (3), (4) в формулу (7):

1 II U

п= Wdrw-[B}dw-Rd/3-dx

2 J J 1 J " " ^ (9)

^ о о

Была введена аппроксимация w, соответствующая характеру выпучивания:

w ~ w,

'о+2>

(10)

т=\

где - осесимметричная составляющая перемещения; т - номер члена ряд; разложения перемещений; w„ - коэффициент m-го члена ряда перемещений

. . , т-л-х . 2 Ф._ =sm---sin

г т-л-х . 2 т-л-¡3

- функция формы.

Снижение жесткости оболочки под действием нагрева представлялось в вид локального снижения модуля упругости материала, для чего была использована ап проксимация в виде аналогичных (10) функций:

Е = Еа-^ФтЕт

т~\

где Е0 - осесимметричная составляющая модуля упругости; Ет - коэффициент члена ряда с номером т.

Отсюда стало возможным выразить матрицу жесткостных параметров в вид подобной зависимости:

(id

т-\

Принятые аппроксимации (10) и (11) были подставлены в выражения для по тенциальной энергии деформации (9) и работы внешних сил (8), что с учетом урав нения (6) принципа Лагранжа привело к следующей системе уравнений:

[r'\w + [r<'\^ + = ~Р, (12)

где - иии - матрицы коэффициентов; Р - вектор внешних нагрузок W = {w0,w,,...,wm,...} - вектор неизвестных коэффициентов ряда перемещений

Из решения системы уравнений (12) определялся вектор W, состоящий из ко эффициентов ряда разложения радиального перемещения. В результате это позво

лило найти поля перемещений (10), деформаций (3), внутренних усилий (4) и напряжений (5).

Методика определения состояния котла давления при локальном снижении жесткости оболочки была применена для расчета котла нефтебензиновой цистерны при действии внутреннего давления 5 МПа.

Характер НДС был близок к изображен на рис. 3, максимальное значение прогиба (в центре очага пламени) составило 1,8 мм.

Рис. 3. Деформация оболочки котла цистерны в очаге пламени

На рис. 4 приведена зависимость максимального прогиба от времени. В начальный момент действие внутреннего давления вызывает осесимметричное состояние.

0 -..... -.............1---------- - . ........

О 50 100 150 200

Рис. 4. Изменение максимального прогиба котла давления во времени при локальном снижении жесткости оболочки в очаге пламени

При локальном повышении температуры в очаге пламени происходит возмущение в виде выпучивания оболочки. Через 120 мин. режим нагрева можно считать установившимся, в результате деформации практически перестают изменяться.

Для оценки влияния параметров расчетной схемы были выполнены многовариантные расчеты с различными геометрическими размерами оболочки.

Третий раздел. Исследовалось состояние котла цистерны при воздействии неравномерного температурного поля в очаге пламени. Для моделирования состояния оболочки (рис. 2) была применена нелинейная теория оболочек. Геометрические соотношения этой теории имеют вид (1).

Физические соотношения:

£ = М, =П-[{х1-хг)+м{х2~хг)].

? 9

Л/2 =£>•[(хг-хт)+ ц(хх-хт^. Н = Ос т

(13)

1 12

где \ат\Т~То)'^ ¡ат-(Т-Т0)-г-еЬ . (14)

~Уг '%. чисто тепловые деформации растяжения-сжатия и изменения кривизны; ат - коэффициент линейного расширения материала; Т - температура в точке с координатой г; Т0 - начальная температура.

При отсутствии связей и равномерном нагреве оболочка свободно расширяется. В этом случае фактическая деформация оболочки совпадает с чисто тепловой деформацией, а усилий и напряжений не возникает.

Наличие связей, в том числе со стороны менее нагретых частей котла, ограничивает фактические деформации по сравнению с чисто тепловыми и приводит к возникновению внутренних усилий и напряжений в котле.

Геометрические соотношения в матричной форме имеют вид (3), а физические соотношения (13) - следующий вид:

Я = [В]-{б-ёт), (15)

где £т = \ет, ет, 0, 0, 0, 0} - вектор чисто тепловых деформаций.

Граничные условия представляют собой отсутствие перемещений по всей границе исследуемой области котла.

Для расчета был применен вариационный принцип Лагранжа (6), причем потенциальная энергия, с учетом вида физических соотношений, выразилась следующим образом:

о сЛ^ /

где а, Ъ - конечные координаты исследуемой области котла вдоль образующей и в окружном направлении.

Температурное воздействие рассматривалось отдельно от прочих внешиих воздействий, что базируется на принципе независимости действия внешних нагрузок. Поэтому в данной методике расчета работа внешних сил принималась равной нулю.

Была применена аппроксимация перемещения и температурного поля в таком виде, который соответствует реальному характеру выпучивания оболочки и распределения температур в очаге пламени:

цц

(17)

(18)

т=\

где т - номер члена ряда разложения перемещений; wm - коэффициент т-го

_ . 2 т-л-х . 2 т -л- Р члена ряда перемещений; - sin - sin - . функция формы; Тт -

коэффициент т-го члена ряда температур.

С учетом принятой аппроксимации (17), (18) потенциальная энергия (16) выразилась через коэффициенты wm ряда перемещений (17). Поэтому, в соответствии с принципом Лагранжа, находилась производная потенциальной энергии по каждому коэффициенту wm, В результате была получена следующая система нелинейных уравнений:

И-Я^+И-^+И 09)

где -\r' J[r//l[r';'] - матрицы коэффициентов; р - вектор правой части; wL ={w„w2,...} - вектор неизвестных коэффициентов ряда перемещений;

Таким образом, каждое уравнение из полученной системы (19) представляет собой полином третьей степени относительно каждого неизвестного (\\'|, и т.д.).

Данная нелинейность является следствием учета нелинейных мембранных деформаций.

Из решения системы уравнений (19) можно найти вектор коэффициентов ряда перемещений, что позволяет в любой точке исследуемой оболочки определить перемещение (17), деформации (1), внутренние усилия (13) и напряжения (5) и, в результате, произвести оценку прочности конструкции.

Разработанная методика была применена для расчета состояния котла нефте-бензиновой цистерны при действии неравномерного температурного поля в очаге пламени. В соответствии с наиболее неблагоприятным сценарием пожара, внешнее воздействие задавалось в виде теплового потока 100 КВт/м2 по прямоугольной площадке длиной 2 м вдоль оси и 2,8 м по окружности в средней зоне обечайки котла.

Расчет выполнялся для двух вариантов котла: типового и имеющего огнезащитное покрытие марки СГК-2.

Деформированное состояние оболочки котла имеет вид, аналогичный приведенному на рис. 3. Неравномерное температурное поле вызывает выпучивание оболочки в зоне его действия. Наибольшие прогибы возникают в зоне действия повышенной температуры. Максимальный прогиб оказался равным 50 мм при отсутствии огнезащитного покрытия и 12 мм - при наличии покрытия СГК-2.

Для уточнения параметров расчетной схемы и проверки работоспособности методики было исследовано влияние различных параметров на результаты расчетов.

На рис. 5 приведены графики изменения прогиба во времени при наличии или отсутствии огнезащитного покрытия.

0.045

0.04 0 035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005

— С покрытием СГК-2

Без защиты

I, мин.

0

0

30

60

90 120 150 180 210 240

Рис. 5. Зависимость максимального прогиба от времени

Для варианта без защиты с момента начала воздействия пламени прогиб начинает резко возрастать. Примерно через 120 мин. появляется установившийся режим.

Зависимость прогиба котла цистерны с защитным покрытием имеет аналогичный характер. Однако уровень максимального прогиба оказался в 3,5 раза ниже. Кроме того, время возрастания прогиба до максимального значения при наличии защиты существенно увеличивается (в 1,9 раза).

Это позволяет сделать вывод о высокой эффективности покрытия СГК-2 как способа защиты котлов цистерн от действия открытого пламени. Эта эффективность выражается, с одной стороны, в снижении уровня температур и выпучивания оболочки котла в очаге пламени. С другой стороны, обеспечивается достаточный промежуток времени для развертывания противопожарных формирований.

Четвертый раздел. Исследовалась проблема устойчивости оболочки котла цистерны при локальном повышении температуры (термоустойчивость).

Нагревание тел вызывает их расширение, то есть появление чисто тепловых деформаций в продольном и окружном направлениях. Если нагрев носит локальный характер, менее нагретые области препятствуют свободному деформированию оболочки, что вызывает появление сжимающих внутренних усилий и напряжений.

Как показали предварительные расчеты, перепады температуры по толщине оболочке незначительны, и ими можно пренебречь. В этом случае в оболочке возникают только внутренние усилия растяжения-сжатия, то есть напряженно-деформированное состояние носит безмоментный характер. Однако при достаточно высоком уровне сжимающих внутренних усилий состояние оболочки скачкообразно изменяет свою форму. При этом срединная поверхность оболочки изменяет кривизну и появляются изгибающие моменты - происходит потеря устойчивости.

Вообще задачей расчета является определение критического (минимального по модулю) значения сжимающих сил, при котором происходит потеря устойчивости. В случае воздействия неравномерного температурного поля задача сводится к определению критического значения изменения температуры, соответствующего началу потери устойчивости.

Было исследовано два варианта конструкции: пластина и оболочка, имеющая начальную кривизну (что характерно для котла цистерны).

Случай пластнны. Для расчета была принята декартова система координат Охуг. В случае нагрева пластины мембранных деформаций не возникает до тех пор,

пока пластина не потеряет устойчивость. Геометрические соотношения имеют следующий вид:

_ д2м> _ д2ч> _ д2м/

(20>

где Х2 . деформации изменения кривизны в плоскости образующей и в плоскости направляющей; Г - деформация кручения.

При изменении температуры оболочки по сравнению с исходным состоянием в ней появляются чисто тепловые деформации (14). Без учета перепада температуры по толщине будут иметь место только деформации растяжения-сжатия:

1

£г = к = аг(Т~То). (21)

До потери устойчивости деформации оболочки отсутствуют. Так как оболочка не имеет возможности свободно деформироваться (е1 = Ег = 0), появление чисто

тепловых деформаций приводит к возникновению сжимающих усилий:

= -5(1 + //)£>; Ыг = ~в{\ + //)<£>. (22)

Эти усилия направлены вдоль срединной поверхности оболочки в ее исходном, неискривлённом состоянии. И НДС ограничивается наличием сжимающих усилий АГ,, А^ и соответствующих им напряжений.

При потере устойчивости пластина получает радиальные перемещения. В результате появляются деформации, причем из всех деформаций (1) в пластине будут иметь место только деформации изменения кривизны и кручения (2.3):

_ д2~и> __ д2м? _ _ д2м>

дх ду дхду ^

и соответствующие им моменты (24):

М, = 0(х, + ¡мг); М2 = 0(х2 + ¿ос,); Я = Осх

Кроме того, усилия растяжения-сжатия вызывают дополнительные изгибающие моменты:

М*=АГ, щ м\ = Ы2Щ * (25)

где , М\ - дополнительные изгибающие моменты в плоскости образующей и в плоскости окружности; И' - радиальные перемещения.

Для решения задачи был применен принцип Лагранжа (6).

Рассматривалась потенциальная энергия деформации для случае потери устойчивости:

Я = М|[(м1 +(м2+М;)х2+2Нт}1хс1у (26)

" Л Л

о о

Работа внешних сил при расчете на устойчивость равна нулю: А = 0.

Соотношения (24) и (25) подставлялись в выражение (26), а также была принята аппроксимация (17) перемещений {у=Яр). В результате потенциальная энергия деформации выражалась через коэффициенты \\>т ряда перемещений. В соответствии

с принципом Лагранжа для каждого члена ряда было получено уравнение, из решения которого находилось искомое значение повышения температуры, соответствующее началу потери устойчивости:

А г = ^^ Ъа" +2аУ +ЗЬ* <27^

кр 3(1 +//)аг' а'Ь^+Ь2) '

В результате был получен спектр критических значений (276), соответствующих каждому члену ряда перемещений с номером ТП. При этом очевидно, что критическое состояние наступит уже при наименьшем из полученных значений (27), то есть для первого члена ряда: т — 1.

Критическое изменение температуры для случая квадратной (2 м х 2 м) стальной пластины (Ст. 3) толщиной 9 мм составило 170,6°С.

Случай оболочки, имеющей начальную кривизну. Была также исследована цилиндрическая часть котла цистерны, для которой была принята цилиндрическая система координат Ох/к (см. рис. 2).

Для оболочки, в дополнение к исходным уравнениям пластины записывались соотношения, связанные с растяжением-сжатием. Геометрические соотношения включают дополнительное уравнение: М>

82 = к- (28)

В остальных соотношениях необходимо было положить у — .

Соответствующее физическое соотношение имеет вид:

= -(1+ (29)

в результате потенциальная энергия деформации выразилась так:

1 " 2*г

п = |[а/2£-2 + (м, + м'])х1+(м2 + М'2)х2 +2Нг)кс1/Зск.

(30)

В формулу потенциальной энергии (30) подставлялись соотношения (22) - (25), (29), а также аппроксимация (17), и производилось интегрирование. В соответствии с принципом Лагранжа, было получено следующее квадратное уравнение:

Я

+ 4 М2т4тг4

1

1

ГУ ЗЯга2Ь2

УУ

- 8(1 + ¿л)аГАТ = 0.

(31)

Таким образом, оказалось, что при любом заданном значении температуры оболочка получает перемещение У?т, определяемое из решения уравнения (31) для

каждого члена ряда с последующим суммированием.

При этом понятие потери устойчивости для выпуклой оболочки теряет смысл, так как оболочка при повышении температуры сразу получает изменение кривизны. Дальнейшее изменение состояния оболочки целесообразно определять с помощью методики, изложенной в разделе 3.

Пятый раздел содержит результаты экспериментально-теоретического исследования моделей пластины для оценки достоверности разработанной методики определения состояния оболочки в очаге пламени, а также влияния огнезащитного покрытия СГК-2.

Экспериментальная установка показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема опытной установки

Установка была создана во ВНИИПО и включала опытную модель пластины 1, термопары 2, самопишущие потенциометры 3, пропановую горелку 4, расходомер 5, вентиль-регулятор 6 подачи газа и баллон 7 с пропаном.

Испытывались опытные модели 1, изготовленные в МИИТе. Испытывались две модели: без защиты и с огнезащитным покрытием СГК-2 (толщиной 3 мм), разработанным ГП «Московский институт теплотехники» (МИТ).

Каждая модель представляла собой квадратную пластину из стального листа (Ст. 3) толщиной 2 мм, по периметру приваренную к раме из уголка №7. До начала экспериментов расстояние от горелки до нижней поверхности образца составляло 40 мм. Тепловой поток от горелки задавался при помощи вентиля 6 с учетом показаний расходомера 5.

В начале каждого эксперимента включалась протяжка потенциометров 3, открывался запорный вентиль 6 и поджигалась горелка 4. При помощи вентиля 6 устанавливался расход пропана 7 л/мин, который затем вручную поддерживался постоянным во время эксперимента. Таким образом обеспечивался практически постоянный тепловой поток, создаваемый горелкой. После появления установившегося теплового режима (через 36 мин. у модели без защитного покрытия и через 137 мин. у модели с покрытием) эксперименты прекращались. Для этого отключались приборы 3 и закрывался вентиль 6.

Зависимости температуры термопар от времени определялись по показаниям лент потенциометров. Максимальные значения температуры модели без защиты составили: для центральной термопары 589°С, для боковой - 167°С. Соответствующие значения для модели с покрытием СГК-2 составили: для центральной термопары -248°С, для боковой - 151°С.

Нагрев моделей в ходе экспериментов сопровождался "выпучиванием" оболочки вследствие появления тепловых деформаций.

Прогибы моделей оболочки замерялись в 49 точках., равномерно распределен- -ных по поверхности. Для этого до начала эксперимента на каждый образец были нанесены отметки, в которых были определены начальные отклонения. В качестве базы для отсчета отклонений принята плоскость, образованная вершинами боковых полок уголков рамы. В период максимального разогрева нормальные отклонения оболочки замерялись вновь. Наконец, после остывания были произведены окончательные замеры остаточных прогибов каждого образца.

Следует отметить, что модели имели значительные начальные и остаточные деформации, сопоставимые с величинами тепловых деформаций в экспериментах. 1 Уровень отклонений после экспериментов оказался ниже, чем до экспериментов.

Наличие начальных деформаций обусловлено технологией изготовления сварных I

I

моделей.

Исходя из сказанного, наиболее адекватное представление о тепловых деформациях можно было получить, рассматривая процесс остывания моделей. При этом прогиб в каждой точке получается вычитанием остаточного отклонения из отклонения в максимально нагретом состоянии.

На рис. 7 показано поле прогибов модели (без защитного покрытия).

Деформация имела характер «выпучивания» вверх, то есть в сторону, обратную расположению горелки. Характер деформации оболочки объясняется явлением теплового расширения материала. Наибольшему расширению подвержена центральная

зона, но ее свободному расширению препятствуют менее нагретые области и, в конце концов, рама, точки которой практически не перемещаются. Поэтому расширение оболочки возможно только за счет выпучивания.

Наибольший прогиб имеет место в центральной зоне и составляет 24,1 мм для модели без защиты и 10,8 мм для модели с защитой СГК-2. При удалении к краям модели прогибы убывают до нуля. Таким образом, наличие защитного слоя существенно (в 2,2 раза) снижает уровень прогибов и, следовательно, НДС в целом.

Были выполнены также расчеты исследованных моделей на основе разработанной методики. Пример сравнения результатов расчета и эксперимента приведен на рис. 8.

Из графиков видно общее качественное соответствие результатов. Нерегулярность изменения прогиба в эксперименте объясняется характером распределения температур, вызванного реальной формой очагов пламени от горелки. Кроме того, неучет начальных сварочных деформаций мог вызвать дополнительную погрешность результатов расчета.

Относительное расхождение результатов расчета по сравнению с экспериментом по средней величине прогиба оказалось не более 19,5%. Это говорит об удовлетворительном соответствии результатов, то есть о достаточной достоверности расчетных данных, получаемых на основе предложенной методики.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Рис. 8. Изменение деформаций модели без защитного покрытия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика определения состояния котла цистерны, вызванного действием внутреннего давления, при локальном изменении механических свойств

материала котла в очаге пламени. Применение методики позволило провести исследование состояния котла нефтебензиновой цистерны.

2. Проведено исследование состояния котла нефтебензиновой цистерны при действии внутреннего давления с учетом локального снижения жесткости оболочки в очаге пламени. Максимальный погиб оболочки в очаге пламени составил 1,8 мм.

3. Разработана методика определения состояния котла цистерны при воздействии неравномерного температурного поля в очаге пламени. Расчетные зависимости получены в явном виде. Принятая аппроксимация перемещений позволила для рассматриваемого класса оболочечных конструкций снизить потребность в применении метода конечных элементов, что сделало алгоритм и программу расчета эффективными при реализации на ЭВМ. Программа требует малого объема памяти и машинного времени. Применение разработанной методики позволило исследовать состояние котла нефтебензиновой цистерны в очаге пламени.

4. Проведено исследование состояния котла нефтебензиновой цистерны при воздействии неравномерного температурного поля в очаге пламени. Максимальный прогиб оболочки в очаге пламени составил 50 мм. Оценено влияние различных параметров расчетной схемы на результаты расчетов.

5. Разработана методика оценки устойчивости оболочки при локальном повышении температуры (термоустойчивость), что позволило исследовать проблему термоустойчивости пластины и оболочки.

6. Исследована проблема термоустойчивости. Для случая выпуклой оболочки котла цистерны сделан вывод о том, что при повышении температуры оболочка теряет устойчивость сразу. Критическое изменение температуры для случая пластины составило 3,4°С, что свидетельствует о том, что и пластина теряет устойчивость практически в самом начале процесса нагрева.

7. Оценена эффективность способа защиты котла цистерны при помощи нанесения наружного огнезащитного покрытия СГК-2. Установлено, что наличие защитного слоя снижает уровень прогибов оболочки в 2,2 раза. Кроме того, время достижения наибольшего уровня прогибов увеличивается в 2,9 раза.

Это свидетельствует о высокой эффективности данного способа защиты котлов цистерн от действия открытого пламени, так как обеспечивает необходимый промежуток времени для тушения пожара без разрушения котла цистерны и взрыва перевозимого продукта.

8. Предложенные средства математического моделирования позволяют на стадии проектирования определять состояние котлов цистерн при аварийных воздействиях открытого пламени, а также разрабатывать средства защиты котлов цистерн при аварии.

9. Предложенные методики могут учитывать влияние огнезащитного покрытия, наносимого на котлы цистерн.

10. Применение предложенных методик позволяет снизить потребность в проведении дорогостоящих экспериментов на натурных образцах железнодорожных цистерн.

11. Достоверность разработанной методики определения состояния оболочки подтверждена путем сравнения результатов расчета по сравнению с данными эксперимента. Относительное расхождение результатов по средней величине прогиба оказалось не более 19,5%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Меланин В.М., Корниенко H.A., Беспалько СВ., Маслов И.Г. Вариационные методы решения задач исследования температурных напряжений в твердом геле и их применение к колесу вагона при торможении : Моск. го с ун-т путей со-общ. (МИИТ). - М, 2005. - 11 с: ил - 3 Библиогр - 9 назв -Рус. -Деп. в ВИНИТИ. 31.01.2005, 139-В2005.

2. Беспалько СВ., Маслов И.Г. Методика моделирования напряженно-деформированного состояния котла цистерны от воздействия неравномерного температурного поля в очаге пламени. // Труды VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2003г.

3. Методика оценки устойчивости оболочки при локальном повышении температуры в очаге пламени / H.A. Корниенко, Беспалько СВ., И.Г. Маслов, М.В. Козлов; Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ). - М., 2009. 9 с. Библиогр. 2 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ РАН 22.05.09, 329-В2009

4. Маслов И.Г. Новая методика определения напряженно-деформированного состояния котла цистерны, находящегося в очаге пламени. Железнодорожный транспорт, №7, 2009г.

МАСЛОВ ИЛЬЯ ГЕННАДЬЕВИЧ

СОСТОЯНИЕ КОТЛА ЦИСТЕРНЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОЧАГА ПЛАМЕНИ В АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ

АВТОРЕФЕРАТ

Специальность 05.22.07. - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

Подписано к печати М- /О

Заказ № $ 5_Усл.печ.л-//^"

Формат 60x90 Тираж ¿О

127994. Москва, уд. Образцова д.9 стр.9 УПЦ ГИ МИИТ.

1/16

экз