автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Установление параметров циклической и статической трещиностойкости сварных соединений строительных сталей и применение их в методике оценки остаточного ресурса сернокислотных резервуаров

рт Б о»

Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций имени Н.П.Мельникова

Ц Н И И П С К им. Мельникова

На правах рукописи

НАСОНОВ Михаил Юрьевич

УДК 539.434:669.14.07:621.791.052-974

УСТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛИЧЕСКОЙ И СТАТИЧЕСКОЙ ТРЕЩИНОСТОШЮСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СЕРНОКИСЛОШХ РЕЗЕРВУАРОВ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994г.

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском и проектном институте строительных металлоконструкций имени Н.Л. Мельникова,

Научный руководитель - кандидат технических наук, с.н.с.

Ханухов Х.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Поповский В.В. - кандидат технических наук, с.н.с. Демыгин Н.Е.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

химического машиностроения

в

Защита диссертации состоится «АЗ-* Уг.

часов на заседании специализированного совета Д 033.IE.01 по строительным конструкциям при ЦНШпроектстальконструкция им.Мельникова по адресу: Москва, ул.Архитектора Власова, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв в 2-х экземплярах по адресу: I17393, Москва, В-393, ул.Архитектора Власова, 49, ЦНШпроектстальконструкция им.Мельникова, специализированный Совет.

Автореферат разослан 199 Ч_т•

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат технических наук

Т.С.Волкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Трудности настоящего периода развития экономики, препятствующие своевременной реконструкции химического производства, приводят к сильному физическому износу его технологического оборудования, в результате этого процесса происходит ухудшение экологической обстановки в районах с развитой химической промышленностью. В связи с этим возрастает роль и значения подразделений науки, занимающихся оценкой надежности и прогнозированием долговечности объектов, имеющих важное народнохозяйственное значение, а также способных представлять угрозу окружающей среде.

В настоящее время в рамках решения этой проблемы придается большое значение вопросу создания надежных инженерных методов расчета строительных металлических конструкций, находящихся в условиях воздействия агрессивных сред и переменной механической нагру-женности. К такого рода объектам относятся хранилища химических продуктов различного типа (например, кислот, щелочей, аммиака и т.д.) технологические трубопровода, производственное оборудование. Особое место среди данного вида сооружений занимают резервуары, хранящие концентрированную серную кислоту, ввиду их относительной многочисленности, достаточно больших размеров и довсгаько-таки значительной экологической опасности, а главное из-за отсутствия надежных методов контроля за их техническим состоянием. Наличие прямого контакта металлоконструкций резервуаров с растворами серной кислоты и ее парами, в условиях отсутствия какого-либо промеяо'точ-ного слоя, типа футеровочного или плакирующего, а также изменение концентрации хранимого продукта, вызванное нарушением технологии, приводит к быстрому их износу,а вследствие этого, частым авариям. В достаточно большом числе случаев эти аварии происходят в катастрофической форме со значительными финансовыми и экологическими

последствиями. Акселерации деструктивных процессов способствует существование в конструкциях большого числа изначальных дефектов трещиноподобного типа, которые с небольшой степенью доцущения могут быть интерпретированы как изначальные трещины. Сочетание их с агрессивным воздействием среды и повторно статическим нагружением вызывает коррозионное растрескивание металла, а в последствии и хрупкое разрушение всего сооружения.

Однако, несмотря на важность проблемы, в настоящее время отсутствует нормированный расчет металлоконструкций таких объектов на малоцикловую прочность и долговечность, что не может не приводить к ошибкам при оценке их ресурса. Вместе с тем отсутствуют данные по условиям эксплуатации этих сооружений, а также экспериментальные данные о коррозионных, циклических и статических свойствах металлов, работающих в условиях воздействия указанных сред.

В связи с этим, актуальной задачей являлось проведение исследований по оценке влияний растворов серной кислоты на коррозионно-механические свойства металлов и их сварных соединений, характерных для листовых конструкций, а также разработка соответствующей расчетной методики.

Цель работы. Экспериментальное определение параметров циклической и статической трещиностойкости сварных соединений строительных сталей в условиях воздействия растворов серной кислоты и применение их в методике расчета прочности и долговечности металлических конструкций сернокислотных резервуаров на стадии роста трещин с исследованием механизма их развития.

Научная новизна работы заключается в следующем: - проведено научное обобщение современных сведений о коррозионной стойкости, циклической и статической трещиностойкости металлов при воздействии кислот.

Для условий воздействия серной кислоты:

- разработана методика испытаний сталей на циклическую и статическую трещиностойкость;

- разработана методика оценки величины раскрытия и неполного закрытия коррозионно-усгалостной трещины;

- проведена оценка фактического значения коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего распределение напряжений перед вершиной коррозионно-иеханической трещины;

- исследованы основные составляющие механизма роста и факторы, влияющие на развитие коррозионно-механической трещины;

- разработана методика расчета прочности и долговечности металлических конструкций, работающих при воздействии сернокислотных растворов на стадии развития трещин.

Достоверность научных положений диссертации подтвербена в ходе выполнения хоздоговорных работ по оценке остаточного ресурса сернокислотных резервуаров Воскресенского ПО "МичУДобрения", Череповецкого ПО "Аммофос", Мелеузского химического завода.

Личный вклад автора состоит в следующем:

- обобщены сведения о причинах аварий, условий их протекания, формах и видах отказов сернокислотных резервуаров;

- получены экспериментальные данные по цикличности силовых нагрузок, воспринимаемых резервуарами, о характере изменений температурных напряжений, а также о самих температурных изменениях на поверхности их металлоконструкций;

- собраны и проанализированы данные о размерах и характере реальных дефектов, образующихся в результате изготовления резервуаров либо в процессе их эксплуатации;

- экспериментально установлены параметры реальной агрессивности среды в локальных зонах сернокислотных резервуаров;

- получены статические л циклические характеристики строительных сталей ВСтЗспб и 09Г2С и их сварных соединений в условиях воз-

3

действия растворов серной кислоты с разным уровнем концентрации, при различных частотах и асимметриях цикла, а также при эксплуатационных температурах;

- произведена оценка фактических значений коэффициента интенсивности напряжений в процессе развития коррозионно-механической трещины;

- установлено соотношение влияний электрокоррозионного растворения и водородного охрупчивания на ускорение роста коррозионно-усталостной и коррозмонно-сшатической трещины;

- экспериментально определены величина закрытия коррозионно-усталостной трещины и характер изменения электропотенциала в ее вершине;

- исследовано изменение механических свойств металла сварных соединений или длительной нагруженности и длительном коррозионном воздействии растворов серной кислоты;

- изучен характер упругопластического деформирования фрагментов сварных соединений в присутствии сернокислотных растворов;

- разработана методика расчета конструкций на коррозионно-ме-ханическую прочность и долговечность в условиях воздействия растворов серной кислоты.

Практическое значение. Результаты исследований позволяют:

- прогнозировать с большей достоверностью долговечность объектов, хранящих сернокислотную продукцию;

- продлевать срок эксплуатации сернокислотных резервуаров на основе технических освидетельствований с использованием неразрушаю-щих методов дефектоскопии, проводимых без остановки производства;

- проводить необходимые мероприятия, увеличивающие время безаварийной работы существующих резервуаров и повышающие надежность вновь проектируемых.

Внедрение результатов. Методика расчета прочности и долговечности листовых металлических конструкций, работающих в условиях воздействия сернокислотных сред, нашла свое практическое применение при оценке срока службы сернокислотных резервуаров.

Апробация работ. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Ш Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения "Трещиностойкость материалов и элементов конструкций" в г.Житомире в 1990 г., на Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" в г.Суш в 1991 г., на Всесоюзной конференции "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса" в г.Кемерове в 1988 г., на Всероссийской научно-технической конференции "Прочность и живучесть конструкций" в г.Вологде в 1993 г., на Всероссийской конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" в г.Кемерове в 1994 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 255 стр. машинописного текста,145 рисунков, 14 таблиц и 116 наименований литературных источников.

На защиту выносятся следующие положения диссертации.

1. Результаты экспериментальных исследований, раскрывающие механизм развития коррозионно-механической трещины в условиях воздействия растворов серной кислоты различной концентрации.

2. Результаты экспериментальных исследований циклической и статической трещиностойкости основных зон сварного соединения, полученные при влиянии сернокислотных растворов.

3. Расчетно-экспериментальная методика определения прочности и долговечности элементов металлических конструкций, эксплуатируе-

мых при воздействии серной кислоты.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выполненной диссертационной работы. Представлены вопросы и направления исследований в рамках рассматриваемой проблемы, требующие дальнейшего изучения. Сформулированы цели работы, задачи, приведены основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе приведен анализ состояния проблемы и выполнен литературный обзор, посвященных ей научных работ.

В литературном обзоре приведены данные из опубликованных работ по общей коррозии и по коррозии сталей в условиях действия кислот, в том числе растворов серной кислоты. Рассмотрены механизмы коррозии металлов под напряжением (Н.Д.Томашев, Г.П.Чернова, В.С.Кузуб, Х.Рачев, А.Г.Атанасянц, М.А.Шлугер, А.М.Озеров, В.Н.Варыпаев, Я.М.Колотыркин). Отмечено влияние концентрации растворов серной кислоты, уровня температуры, механического напряжения на скорость коррозии металлов. Приведены данные о коррозионной стойкости и кор-розионно-механической стойкости в растворах кислот в зависимости от превходящих условий. Установлено отсутствие характеристик коррозионной стойкости и коррозионно-механической стойкости исследуемых сталей, работающих в растворах серной кислоты.

Проанализированы материалы по коррозионному растрескиванию сталей в растворах кислот (Ю.И.Вабей, И.И.Василенко, В.И.Похвдрский, О.Н.Романив, Г.Н.Никифорчин, С.С.Иванов).

Установлено: несмотря на значительное влияние серной кислоты на коррозионю-статические параметры металлов, практически не проводилось изучение ее воздействия на стали в случаях превышения 20% уровня концентрации ее растворов.

Показано, что достаточно хорошо исследовано влияние различных коррозионных сред, за исключением агрессивных на рост коррозионно-механических трещин, в достаточной степени разработаны методики изучения механизма их роста, влияния на него условий нагружения, асимметрии и формы цикла, ветвления, затупления и закрытия трещин (О.Н.Романив, Б.И.Похмурский).

Проведенный обзор работ позволил сделать вывод об отсутствии в настоящее время развитого представления о механизме влияния растворов серной кислоты на рост коррозионно-механических трещин.

Выполнен анализ современного состояния норм и методов расчета на малоцикловую прочность сварных соединений на стадии распространения в них усталостных и статических трещин. Отмечено:

- в нормах нет рекомендаций по расчету листовых металлоконструкций на малоцикловую прочность в условиях воздействия агрессивных сред;

- в настоящее время отсутствует методика расчета ресурса долговечности сварных соединений на стадии роста трещин при влиянии аг-грессивных сред;

- отечественные нормативные документы не учитывают рост исходных дефектов при циклическом нагружении конструкций в агрессивных средах.

В конце главы обоснованы и определены основные задачи работы:

- определить характеристики механической нагруженности, параметры температурных изменений, размеры и формы трещиноподобных дефектов и параметры агрессивности среды реальных объектов, работающих в условиях воздействия серной кислоты;

- определить характеристики статической и циклической трещино-стойкости основных зон сварных соединений в условиях воздействия растворов серной кислоты различной концентрации при эксплуатацион-

ной и нормальной температурах;

- определить соотношение влияний водородного охрупчивания и анодного растворения металла перед вершиной трещины на процесс ее роста при механическом нагрукении под воздействием сернокислотных растворов;

- определить фактическое значение коэффициента интенсивности напряжений при развитии коррозионно-механической трещины;

- разработать расчетно-эксперимэнтальную методику оценки прочности и долговечности элементов металлоконструкций, работающих в условиях воздействия растворов серной кислоты на стадии распространения поверхностных трещин.

Во второй главе даны характеристики изученных сталей, описаны методики, образцы и оборудование, использованные в процессе исследований.

В данной работе исследовались две марки стали: малоуглеродистая сталь ВСтЗопб и низколегированная сталь 09Г2С, наиболее часто применяемые при строительстве сернокислотных резервуаров.

Согласно требованиям технологии уровень концентрации сернокислотных растворов, хранимых' в резервуарах, не должен быть ниже 93,8%, но в связи с нарушениями технологического режима или вследствие эксплуатационных причин он может быть значительно снижен. На основании величин коррозии реальных объектов и сроков ее протекания при сравнении с лабораторными данными о коррозии были определены концентрации растворов, соответствующие реальным условиям работы металлоконструкций сернокислотных резервуаров. В связи с этим в качестве рабочих сред при экспериментах использовались водные растворы серной кислоты со следующими уровнями концентрации: 10%, 20$, 60$, 93,8$ по отдельным ввдам испытаний.

Коррозионно-усталостные испытания проводились при использова-

нии плоских компактных образцов с боковым надрезом и размерами 190x180x10, коррозионно-статические испытания цилиндрических образцов диаметром 6 мм с кольцевым надрезом ( р = 0,25) и наведенными в надрезе кольцевыми трещинами глубиной 0,15 мм. Циклические испытания проводились в диапазоне частот от 3 до 0,01Гц на установках двух типов: высокочастотной, на основе переоборудованной гидравлической разрывной машины ГШ-1 (с частотой нагружения 3 Гц) и низкочастотной специально сконструированной (с частотой нагружения от I до 0,01 Гц). При низкочастотных испытаниях в момент максимального нагружения при отдельных видах испытаний делалась выдержка от 5 до 50 с, что было обусловлено экспериментально подтвержденной длительностью электрохимических процессов в вершине трещины. В качестве способа соприкосновения рабочей поверхности образца со средой при циклических испытаниях использовался капельный метод подачи обновляемого раствора кислоты в область вершины трещины. При статических испытаниях применялось полное погружение образцов в испытательную среду.

Эксперименты проводились при двух уровнях температуры - 293К и 313К, что соответствует рабочим температурам продукта хранения в сернокислотных резервуарах.

Величину электродного потенциала в устье трещины измеряли при помощи хлорсеребряных электродов сравнения и потенциостата П-5827. Оценка фактического значения КИН боковой трещины проводилась путем замера деформаций малобазными тензодатчиками перёд ее вершиной и с помощью фотографирования координатной сетки (шаг 0,1 мм), нанесенной в области максимального деформирования. Тензодатчики наклеивались на сторону образца, противоположную стороне подачи серной кислоты.

Величина неполного закрытия трещины измерялась с применением

специальных датчиков смещения, крепившихся к поверхности образца на расстоянии 2 мм от вершины трещины. Запись диаграмм закрытия трещин производилась при использовании двухкоординатного графопостроителя Н-306.

Для определения влияния скорости нагружения металла при воздействии серной кислоты на склонность сварных соединений к разрушению проводились испытания на растяжение стандартных круглых образцов с диаметром 6 мм с кольцевым надрезом, помещаемых в двойную ячейку из органического стекла с растворами серной кислоты.

В третьей главе изложены результаты изучения причин аварий сернокислотных резервуаров, их механической и температурной нагру-женности, материалы исследования коррозионной стойкости, коррозионной и коррозионно-циклической трещиностойкости.

Изучены многочисленные внелигературные неопубликованные данные о случаях аварий и катастрофических разрушений сернокислотных резервуаров и проанализированы их причины. Установлено, что главной причиной выхода из строя этих емкостей, кроме нарушений технологии монтажа, приводящих к образованию дефектов в сварных швах обечайки, служат нарушения технологического режима производства серной кислоты и режима эксплуатации хранилищ. Все имеющиеся варианты причин разрушений сведены к пяти основным. Ими являются:

- увеличение частоты заполнения и опорожнения резервуаров в несколько раз выше обычного;

- изменение концентрации хранимой серной кислоты, вызванное производственными факторами;

- разбавление серной кислоты атмосферными осадками вследствие конструктивных недостатков кровли, способствующих интенсивной коррозии и образованию в ней сквозных отверстий;

- отсутствие надлежащей очистки продукта, приводящее к обра-

зованию шлаковых отложений, и тем самым препятствующее поступлению тепловой энергии в локальные зоны резервуара, что в свою очередь ведет к перепадам напряжений по поверхности обечайки;

- длительная выдержка определенного уровня налива продукта, с незначительной амплитудой колебания вблизи заданной отметки, приводит к высокой цикличности температурных напряжений металла обечайки в зоне раздела сред.

В процессе исследований установлено: для сернокислотных резервуаров характерны два варианта механического нагружения, вызываемого наливом продукта хранения. Первый - ежесменный (в малоцик-лоеой области нагружения), второй - нагружение несколько раз в месяц (повторно статическое).

Кроме указанных воздействий, на картину механической нагру-женности металлоконструкций резервуаров влияют и перепады температур в заполненной и порожней частях резервуара. В связи с колебанием уровня продукта, в металле обечайки, района раздела кислотных и воздушной сред, возникают циклические температурные напряжения с амплитудой, превышающей максимальную амплитуду напряжений от налива продукта.

Результаты коррозионных испытаний показали, что наибольшая скорость коррозии стали марки ВСтЗспб, наиболее часто применяемой в строительстве сернокислотных резервуаров, имеет место при воздействии 45% раствора серной кислоты и составляет 7 мм в год, а наименьшая в 93,8% растворах равняется 0,14 мм в год. Большое влияние на скорость коррозии оказывает механическое напряжение. Выдержка образцов под нагрузкой, вызывающей в них напряжения, равное 0,6 предела текучести, показало увеличение скорости коррозии стали по сравнению с образцами, испытывавшимися без нагрузки. В 93,8 растворе - в 1,5 раза (0,23 мм в год), в 45^ растворе - в

4,43 раза (31 мм в год). Трехнедельные коррозионные испытания под нагрузкой образцов, изготовленных из металла околошовной зоны, в 93,растворе серной кислоты выявили образование трещин по границам сварного шва, а в 45% растворе наблюдалось сильное вытравливание металла околошовной зоны.

Коррозионно-статические испытания, проводившиеся на круглых образцах с кольцевым надрезом, показывают наличие эффекта медленного развития коррозионно-механических трещин в испытываемой стали под воздействием механической нагрузки и растворов серной кислоты.

Величина критического коэффициента интенсивности напряжений для среды Kiste при воздействии на металл 45$ раствора серной кислоты снижается по сравнению с аналогичными показателями для воздуха в ВСтЗспб от 4,1 до 4,8 раз в зависимости от зоны сварного шва, в 09Г2С - от 4,5 до 5,2, а в 93,8% растворе соответственно от 3,1 до 3,5 и от 3,7 до 4,3 раз. Результаты экспериментов приведены на рис.1. Самое большее снижение Кисе происходит при испытаниях образцов с надрезом в околошовной зоне.

При испытаниях образцов на циклическую трещиностойкость, проводившихся на плоских компактных образцах, было установлено ускорение роста трещины при действии растворов серной кислоты по сравнению с испытаниями на воздухе (рис.2). Наибольшая скорость роста трещины наблюдается в кислотном растворе с 93,8$ уровнем концентрации, наименьшая - при 22$ уровне концентрации. Наибольшее отличие скорости роста трещины при испытаниях в кислоте от скорости ее роста на воздухе составляло 3405?. Установлено влияние частоты на-гружения на скорость роста трещины: с уменьшением частоты от 3 Гц до 0,1 Гц уровень скорости возрастал, при дальнейшем уменьшении частоты оставался стабильным. Коэффициент асимметрии цикла в процессе испытаний варьировался в пределах от 0,15 до 0,7. Исследова-

Рис. I

aÍ ,._6СтЗсп5

l-Hihi&'f ННЙ. t-oH(ao* ' Т'МЗК- >» ;32}K. *0tti '5азк-,11*Гц î23K.'(rtru JiJKWtl '□.ira, R-« ;ï>«2/YYi 'tK'iVVl ««Cb'VV Е-оЗлтк-e.o's nrv fi j

a-oKíej-íí ?-e« «;8> io-cm¡ tb¡¿ R«0/S; à45K.'o,<n i 4 5 куоЧь ¿«ictan yt; a«ilk- rVVA t«OBrrv\ R.tfirw R^otenn. ЗГЦ J y

«

13 30 «s 60 JTTHC

0 \5 30 45 60 ?s 'ЦМКА.

0 Я 45 60 75

0 ЭО ÖO 90

Рис. 2

ния выявили прямую зависимость между коэффициентом асимметрии цикла и скоростью роста трещины. Наибольшая скорость роста усталостной трещины наблюдалась при р = 0,5+0,6.

Испытания различных зон сварного соединения показали наибольшее влияние растворов серной кислоты на околошовцую зону. Скорость ' роста трещины в ней превышала скорость роста в основном металле в 1,2-1,5 раза.

При нагрузках, характеризуемых коэффициентом интенсивности напряжений в 2 раза меньшем, чем К15сс для соответствующих кислотных растворов, скорость роста трещины была сравнимой со скоростью ее роста на воздухе. С приближением уровня нагруженности, характеризуемого критическим коэффициентом интенсивности напряжений для среды, скорость "роста коррозионно-усталостной трещины плавно повышалась, а по его достижении наблюдалось скачкообразное увеличение скорости с последующей стабилизацией ее уровня и в дальнейшем - повторное ее возрастание. Установлено, что влияние температуры на увеличение скорости роста трещины незначительно.

Циклические и статические испытания образцов с поверхностной трещиной подтвердили экспериментальные данные, полученные на круглых образцах с кольцевой трещиной и на плоских образцах с боковой трещиной. Отмечено замедленное развитие наблюдаемой трещины вглубь металла по сравнению с ее распространением по поверхности (рис.3). Расчеты показали, что такое уменьшение скорости роста трещины в глубину металла может быть учтено уменьшением соответствующего значения размаха коэффициента интенсивности напряжений (КИН) и это уменьшение будет зависеть как от вида воздействующего раствора, так и от глубины трещины. Относительное снижение КИН учитывается с помощью уменьшающего коэффициента (рис.4).

В четвертой главе изложены результаты исследования механизма

воздух

y/v y' 3

S —В--В ----ó"-* -o-o 953/p-pH^ /,5/. p-pHjSO^

s

О 0,2 0,4 0,6 0,8 a/t

Рис. 3

Рис. 4

роста коррозионно-механических трещин. С целью выявления этого механизма, а также выяснения соотношения влияний электрохимической коррозии и водородного охрупчивания на процессы растрескивания металла в серной кислоте, проведен комплекс экспериментальных исследований.

Результаты испытаний растяжения гладких образцов тип Ш (ГОСТ 1497-71) при варьировании скорости нагружения, в присутствии растворов серной кислоты, показали: со снижением скорости нагружения до 0,01 ым/мин уменьшается и зона пластических деформаций. Данное уменьшение происходило в пределах от 2-х до 2,2-х раз, наибольший эффект наблюдался при 455? уровне концентрации раствора серной кислоты (рис.5).

Производилось измерение величины закрытия трещины при циклических испытаниях (частота нагружения 0,01 Гц) с помощью тензомет-рической скобы. Результаты испытаний показали: в присутствии серной кислоты трещина закрывалась неполностью. Наибольшая величина неполного закрытия трещины имела место при низких концентрациях растворов. При воздействии на образец 45$-го раствора серной кислоты трещина недозакрывалась на 35%. Исследования боковой поверхности образца, в области вершины трещины при 30-кратном увеличении микроскопа выявили наличие в полости трещины коррозионных продуктов, препятствующих ее полное закрытию.

Фотографирование микрометрической сетки, нанесенной в вершине трещины, и замеры деформаций с помощью малобазных тензодатчиков, наклеенных на линии предполагаемого развития разрушения металла, показали влияние растворов серной кислоты на величину раскрытия трещины (рис.б). При коэффициентах интенсивности напряжений в 2 раза ниже Кзхсс раскрытие трещины в растворах кислоты было сравнимым с раскрытием трещины на воздухе: при приближении КИН к значению

критического коэффициента интенсивности напряжений - в 93,8% растворе серной кислоты расхождение величин раскрытия трещин достигало 200$.

Замеры электропотенциала в вершине трещины и на поверхности образца, характеризующие интенсивность протекания коррозионных процессов, показали следующую картину: при повышении нагрузки, действующей на образец, повышались оба показателя, но повышение электропотенциала в вершине трещины было более ярко выраженным и достигало величин в 4 раза больших по сравнению с первым. Процесс повышения электропотенциала происходил в течение 2-х сек, после чего наступала стабилизация на 2 сек, в дальнейшем наблюдалась регрессия электропотенциала в течение 7 сек до определенного уровня, но бывшего в 1,5-2 раза выше, чем первоначальный. Наблюдение за дальнейшим развитием процесса показало плавное снижение электропогенциала в течение нескольких часов.

Эксперименты по определению количества диффузионно-подвижного водорода с помощью газовой бюретки, в растягиваемых круглых, гладких образцах выявили факт большого его накопления при воздействии 'разбавленных до АЪ% уровня концентрации растворов серной кислоты, и значительно меньшее (до 15 раз) его содержание при 20% и 93, уровнях концентрации.

Исследования свойств стали стенки резервуара, находившейся в эксплуатации в сернокислотном резервуаре в течение 8 лет при воздействии растворов серной кислоты, отметили ее полное соответствие ГОСГЦу и отсутствие изменений механических характеристик: ударной вязкости, пределов прочности, текучести, пластических свойств, не изменилась и микроструктура материала.

В результате изучения влияния серной кислоты на изменение напряженно-деформированного состояния сварных соединений было уста-

новлено совпадение коэффициентов концентрации напряжений как на воздухе, так и в сернокислотных растворах. Эксперименты проводились при уровнях напряжений, возникающих в реальных металлоконструкциях резервуаров.

В пятой главе приведена методика расчета долговечности сернокислотного резервуара.

Оценка долговечности элементов резервуаров на стадии роста усталостной трещины производилась по известной зависимости Пэриса

¿гш = с„(дюл, о

где Сп и ,п - постоянные зависящие от свойств материала и условий проведения испытаний получаются экспериментально в условиях, приближенных к натурным (асимметрия цикла, частота нагружения, воздействие среды).

Число циклов, необходимое для роста трещин от момента зарождения до достижения ею критических размеров, определялось с помощью кусочно-степенной апроксимации в пределах малых участков лОСС и ¿С L I ДЛЯ которых размах коэффициента интенсивности и параметры „Сп и_п" принимались постоянными:

ССпр

da.

¿0 Сп Сд К ^90°)" , (2)

Спр

die

Jf=j

Jf-J

Со Сп ик,во0п .

Принимая во внимание, что при расчете размаха КИН для поверхностной трещины, расположенной в зоне влияния конструктивного концентратора напряжений, необходимо определять уровень местных напряжений в зоне концентрации напряжений, то выражение, определяющее величину размаха КИН для наиболее глубокой точки поверхностной тре-

щины, имеет вид:

^ ^¿УГ^ТоГ, (3)

где а. - глубина поверхностной трещины;

С - половина ширины поверхностной трещины; дЬм- местные номинальные напряжения в рассматриваемой точке трещины; Ок - параметр формы поверхностной трещины;

коэффициенты влияния геометрии поверхностной трещины и расчетного элемента; £ - функция влияния относительной глубины и воздействия среды на изменение уровня напряжений в устье трещины. Значения параметра ^ представлены на рис.4. После интегрирования форцулы (2) и подстановки значения КИН (3) выражение для оценки остаточного ресурса примет следующий вид:

г „, &-«т)/2. &-ПУ2

5 __пои-/_, „ ■

са-пУа-Сп>

j=I

. m <г-п Ш cz-nl/z jf _ f _С:,-. - С,-_

~J=i C2-n)/2 C„ -С Fclfa0.}

(4)

Выражения для определения критического дефекта:

г.

О. тосх >

Olnpeq - Кт see' &

-пред _ _Кт see ' О-

р(ч?=СУУ

или <Хцр«?9 = 0,8"t разгерметизация резервуара.

(5)

ос- Fo©= о" 1 •

ОСНОВНЫЕ шводы

1. Разработана комплексная экспериментальная методика, позволяющая определить в условиях воздействия растворов серной кислоты различной концентрации: статическую и циклическую трещиностойкость металла; исследовать кинетику напряженно-деформированного состояния в зоне концентрации напряжений; уточнять фактические значения КИН для поверхностных трещин сварных соединений листовых конструкций.

2. Предложена расчетно-экспериментальная методика определения статической прочности и циклической долговечности элементов металлоконструкций, находящихся в условиях воздействия растворов серной кислоты различной концентрации на стадии роста коррозионно-механи-ческих трещин.

3. Установлены причины аварий сернокислотных резервуаров, условия их протекания, формы и виды отказов работы, получены экспериментальные данные о циклических и амплитудных показателях силовых нагрузок, температурных напряжений в зоне раздела сред и температурных изменениях по поверхности обечайки. Получены данные о размерах; форме и местах расположения реальных дефектов, а также параметрах агрессивности среды локальных зонах существующих резервуаров.

4. Исследование статической грещиностойкости изучаемых сталей при воздействии сернокислотных растворов показали снижение от 3,1 до 5,2 раз по сравнению с испытаниями на воздухе критического коэффициента интенсивности напряжений (КИН), соответствующего моменту страгивания трещин. Снижение критического КИН наблюдалось для всех зон сварного соединения и исследуемых уровней концентрации кислоты. Наибольшее уменьшение критического КИН было отмечено при испытании

металла околошовной зоны сварных соединений.

5. Исследование циклической трещиносгойкости основных зон

сварного соединения для рассматриваемых сталей выявило, что скорость роста корроэионно-усталостной трещины (СРКУТ) во всех видах растворов серной кислоты в пределах изучаемого диапазона концентрации возрастала от 1,3 до 3,4 раз по сравнению с испытаниями на воздухе. Наибольшее значение СРКУГ наблюдалось в околошовной зоне сварного соединения при воздействии 93,8% раствора серной кислоты. Наименьшее возрастание было в зоне основного металла при воздействии 22% раствора серной кислоты.

6. Установлено снижение в растворах серной кислоты фактических значений КИН для наиболее глубокой точки поверхностной трещины до уровня, равного 0,8 от аналогичных значений, полученных в воздушной среде. Установлено, что стабилизация фронта трещины в серной кислоте наступала при соотношении полуосей <х/с в 2-2,2 раза меньшем, чем на воздухе.

7. Исследования взаимодействия основных элементов механизма развития коррозионно-механических трещин в растворах серной кислоты показали, что анодное растворение играет преобладающую роль в процессах снижения значений критического КИН для среды при статическом нагружении и увеличении минимального уровня размаха КИН при циклическом нагружении, а водородное охрупчивание увеличивает максимальное значение размаха коэффициента интенсивности напряжений, при этом анодное растворение металла служит основой для образования ионов водорода. Установлено, что охрупчивание металла происходит за счет диффузионно-подвижного водорода, а влияние диффузионно-неподвижного чрезвычайно мало. Определено время пассивации металла в вершине, трещины, соответствующее минимальной длительности нагружения при испытаниях на циклическую трещиностойкость эксперимента, оно менялось в зависимости от уровней нагруженности и концентрации растворов серной кислоты в пределах 5-15 сек. Уатановле-

но отсутствие изменений свойств металлов сварных соединений при длительном воздействии растворов серной кислоты и механической на-груженности в пределах эксплуатационных уровней.

Основное содержание диссертационной' работы отражено в следующих цубликациях:

1. Ханухов Х.М., Сотсков Н.И., Насонов М.Ю., Воронецкий А.Е. "Определение остаточного ресурса резервуаров для серной кислоты".-Промышленное строительство, 1991, № I, с.17-18.

2. Ханухов Х.М,, Воронецкий А.Е., Насонов М.Ю. "Воздействие растворов серной кислоты на циклические и статические свойства малоуглеродистой стали". - ФХММ, 1992, № 2, с.105-106.

3. Воронецкий А.Е., Насонов М.Ю. "Долговечность тонкостенных металлических конструкций, эксплуатируемых в кислотных средах". -Сб.научн.тр. "Легкие строительные конструкции", Ростов-на-Дону, Ростовская-на-Дочу государственная академия по строительству, 1993, с.111-117.

4. Воронецкий А.Е., Насонов М.Ю., Колесников В.А. "Влияние коррозионной среды на ресурс металлических конструкций". - Тез. докл.Всесоюзн.конф. "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса" (Кемерово, 20-22 апр.1988 г.), Кемерово, 1988, с.83-86.

5. Ханухов Х.М., Сотсков Н.И., Насонов М.Ю., Воронецкий А.Е, "Влияние растворов серной кислоты на сопротивление малоуглеродистой стали коррозионно-механическог^у разрушению". -Тез.докл.Всесо-юзн.симпоз. "Трещиностойкость материалов и элементов конструкций" (Житомир, 30 окт.—I нояб. 1990 г.), Житомир, 1990, 88 с.

6. Ханухов Х.М., Насонов М.Ю., Воронецкий А.Е. "Расчетно-экс-периментальная оценка остаточного ресурса металлоконструкций сернокислотных резервуаров с учетом влияния эксплуатационно-техноло-

гических факторов". - Тез.докл. УП-й Всееоюзн.конф. "Экспериментальные исследования инженерных сооружений". - (Сумы, 25-28 сенг. 1991), Суш, 1991, с,87-89.

7. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Насонов М.Ю. "Влияние особенностей термомеханического нагружения на эксплуатационный ресурс сернокислотных резервуаров". - Тез.докл.Всерос.научно-техн.конф. "Прочность и живучесть конструкций" (Вологда, 12 дек.1993), Вологда, 1993, с.148-149.

8. Паначев И.А., Насонов М.Ю. "Факторы, влияющие на разрушение экологически опасных объектов и объектов жизнеобеспечения в угольных районах Кузбасса". - Тез.докл.Всерос.научно-практ.конф. "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово, 23-25 мая 1994), Кемерово, 1994, с.88-90.