автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Влияние условий эксплуатации на усталостную прочность оболочковых конструкций из стали 09Г2С

Л* ^

^^ пРавах РУКОПИСИ

^ Ц п

КАЛАШНИКОВ СЕРГЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ОБОЛОЧКОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛИ 09Г2С

Специальность 05.04.09 - «Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1998

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета

доктор технических наук, профессор Кузеев И.Р. кандидат физико-математических наук, Ахмадеев H.A. доктор технических наук, профессор Абдуллин И.Г. , канд^цат технических наук, Ямуров Н.Р.

Ведущее предприятие: Башкирский научно-исследовательский институт нефтяного машиностроения (БашНИИнефтемаш)

Защита состоится 29 декабря 1998 года.в 15— на заседании диссертационного совета Д 063.09.04 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, Уфа, ул. Космонавтов, I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ Автореферат разослан ^/^р^ноября 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Научный руководитель:

Научный консультант: Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Несущие элементы тепловых, химических и нефтеперерабатывающих аппаратов при эксплуатации подвергаются действию как постоянных, так и переменных механических и тепловых нагрузок, связанных с технологией процесса переработки углеводородного сырья, которые сопровождаются одновременным воздействием специфических рабочих сред. Это существенно сказывается на надежности и долговечности эксплуатируемого оборудования. С точки зрения надежности и оценки остаточного ресурса оборудования этому факту в последнее время уделяется особое внимание.

Эти нагрузки приводят в конечном итоге к усталостному разрушению оборудования. В связи с этим учет такого комбинированного воздействия циклических нагрузок при оценке долговечности оборудования становится особенно актуальным.

Успешное предсказание усталостного разрушения возможно лишь при понимании физических механизмов этого явления. Вместе с тем, некоторые вопросы, связанные с количественной оценкой усталостной долговечности в присутствии технологических сред высоких параметров, остаются открытыми. Поэтому изучение влияния эксплуатационных параметров на долговечность реальных аппаратов под действием циклических нагрузок и рабочих сред является весьма перспективным.

На практике при оценке усталостной прочности, как правило, внешние нагрузки (давление, температура) учитываются, в основном, с точки зрения их влияния на напряженно-деформированное состояние металла и изменения механических характеристик материала. В то же время, наличие в сырье различных поверхностно-активных веществ определяет возможность возникновения на поверхности контакта металла с сырьем дополнительных

эффектов, приводящих к снижению долговечности конструкций, особенно в условиях малоциклового нагружения.

В свою очередь, исследования адсорбционного влияния среды на усталостную прочность простых систем, таких как чистые металлы, показали существенную зависимость этого влияния от температуры и давления среды. Следовательно, было бы своевременным проведение таких исследований на конструкционных материалах. Это позволило бы более точно учесть влияние условий эксплуатации при оценке усталостной долговечности конкретных аппаратов.

Основные направления исследований выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан (АНРБ) "Проблемы .машиностроения, конструкционных материалов и технологии" по направлению 6.2 "Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе" на 1996-2000 годы, утвержденной постановлением Кабинета Министров РБ № 204 от 26.06.96, а также по Федеральной целевой программе "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы (ФЦП "Интеграция") по государственному контракту № 28 "Создание совместного учебно-научного центра "Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение комплексного влияния условий эксплуатации (среда, температура и давление) на усталостную прочность оболочковых конструкций нефтепереработки и нефтехимии, изготовленных из стали 09Г2С.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Разработка и создание экспериментальной установки для испытаний на усталостную прочность (при поперечном изгибе), которая позволяет проводить испытания в диапазонах температур от 20 до 300°С, давлений от ОД до 5 МПа и частот от 1 до 40 об/мин. с автоматической регистрацией момента разрушения образца.

2. Изучение адсорбционного влияния среды на усталостную прочность стали 09Г2С при различных температурах и давлениях.

3. Анализ и сравнение расчетных и экспериментальных параметров долговечности в условиях адсорбционной усталости.

4. Разработка рекомендаций по совершенствованию методов расчета усталостной долговечности и остаточного ресурса оболочковых конструкций, изготовленных из стали 09Г2С, с учетом влияния условий эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Изучено совместное влияние давления, температуры и среды на адсорбционно-усталостную прочность конструкционных материалов на примере стали 09Г2С.

2. Установлена область малоцикловой усталости стали 09Г2С в пределах которой необходимо корректировать расчетные формулы с целью объективной оценки долговечности оболочковых конструкций нефтехимии и нефтепереработки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

1. Разработана и создана экспериментальная установка для испытаний на малоцикловую усталость одновременно пяти цилиндрических образцов по схеме поперечного изгиба с частотой прилагаемой нагрузки от 1 до 40 циклов в минуту. Испытания могут проводиться в средах, применяемых в нефтепереработке и нефтехимии, в диапазонах температур от 20 до 300°С и давлений от 0,1 до 5МПа.

2. На основе полученных экспериментальных данных установлен поправочный коэффициент к расчетным зависимостям (ГОСТ 25.859), учитывающий условия эксплуатации (температура, давление, среда) оборудования.

3. Уточнены расчетные математические модели для более объективной оценки усталостной прочности оболочковых конструкций предприятий нефтепереработки и нефтехимии.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на П-й Всероссийской научно-технической конференции "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность" (Уфа, 1996), 1-м Международном симпозиуме "Наука и технология углеводородных дисперсных систем" (Москва ГАНГ им. И.М. Губкина, 1997), научно-практической конференции "Проблемы защиты окружающей среды на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии " (Уфа, 1997), научно-технической конференции " Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий " (Уфа, 1997), 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 1997), 49-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 1997), Международной научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России "(Уфа, 1998).

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано семь работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 107 наименований, содержит 127 с. машинописного текста, 41 рис., 14 табл. и приложеиий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность выбранной темы диссертационной работы, в нем сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, а также отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая ценность.

В первой главе рассмотрены и проанализированы работы, посвященные вопросам усталостной прочности конструкций при малоцикловом нагружении. Проанализированы причины отказов сосудов давления. На примере отказов сосудов давления (таблица 1) показано, что усталостные разрушения занимают значительное место в ряду причин отказов. На основе анализа литературных данных, дано обоснование актуальности повышения надежности прогнозирования усталостного разрушения.

Таблица 1 - Статистика отказов сосудов давления

Число отказов сосудов

Причины отказов давления, %

обычных атомных

Механическая или термическая

усталость 26 29

Коррозиопно-механическая

усталость 31 41

Дефекты производства 19 18

Прочие (в том числе и

невыясненные) 24 12

В данной главе также рассмотрены вопросы физических механизмов, приводящих к снижению усталостной прочности, изученные в настоящее время. Отмечено также, что исследования, в основном проводились па металлах без привязки к реально действующим технологическим средам и их

параметрам. При этом выявлена существенная роль адсорбционного механизма влияния среды на усталостную прочность материалов.

Далее в первой главе на основе анализа существующих нормативно-технических документов показано, что в них воздействие температуры и давления на усталостную прочность сталей учитывается лишь через напряженное состояние металла, а воздействие среды - в виде коррозионного воздействия.

В главе также рассмотрены методы и средства экспериментальной проверки теоретических расчетов па усталостную прочность. Сделан обзор существующих машин для испытания образцов на усталостную прочность.

В заключении главы сделаны выводы о целесообразности и актуальности темы диссертации, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены принципы создания экспериментальной установки для испытания цилиндрических образцов на усталостную прочность. Принципиальная схема приведена на рисунке 1. Установка состоит из цилиндрического корпуса, в котором вращаются консольно нагруженные образцы. Процесс нагружения проводится по схеме поперечного изгиба при симметричном цикле нагружения с частотой нагружения от I до 40 циклов в минуту. В корпусе создаются условия максимально приближенные к реальным (температура до 300 ° С, давление до 5 МПа, рабочая среда).

Нагружение по схеме мягкого нагружения осуществляется с помощью грузов, которые вместе с образцами жестко прикрепляются к вращающемуся диску. Для создания вращательного движения используются двигатель и редуктор, соединенные между собой ременной передачей. Испытания проводятся в герметически закрытом корпусе.

Нагрев корпуса ведется посредством нпхромовой спирали. Для поддержания необходимой температуры используется терморегулятор марки ДИСК-250.

Схема экспериментальной установки

15 17 18

1 - образец; 2 - груз; 3 - диск; 4 - двигатель; 5 - редуктор; 6 -ременная передача 7 - корпус; 8 - станина; 9 - емкость предварительного нагрева; 10 - нихромовая спираль; 11 - терморегулятор; 12 - термометр; 13-термопара; 14 - балон с азотом; 15 - манометр; 16 - прибор для регистрации количества циклов до разрушения; 17 - предохранительный клапан; 18 -воздушный вентиль 19, 20 - сливные вентиля.

Рисунок 1 - Схема установки Контроль температуры осуществляется термометром и термопарой марки ХК13. В установке также предусмотрен предварительный нагрев рабочей среды, который осуществляется в отдельной емкости. Давление в установке создается при помощи баллона с азотом и контролируется манометром. Установка оснащена предохранительным клапаном, воздушным и сливными вентилями.

Для регистрации момента поломки образца и подсчета числа циклов предложена оригинальная схема, основанная на оценки синхронности сигнала от двух датчиков находящихся как в£1утри корпуса, так и снаружи.

В третьей главе проведен анализ базы данных по техническому обслуживанию НПЗ г. Уфы, который показал, что наиболее часто используемыми сталями являются, стали марок 09Г2С и 16ГС. Гистограмма частости сталей, используемых в аппаратах, приведена на рисунке 2.

□ Днишо

Марки сгалей

Рисунок 2 - Гистограмма по частоте использования сталей в аппаратах (НУНПЗ цеха 2-5)

Испытания на усталостную прочность (при числе циклов до 5-Ю4) проводились согласно ГОСТ 25.502 на образцах из стали 09Г2С. Кривую усталости строили по средним значениям 5 одновременно испытанных образцов на четырех уровнях нагрузок. Для обоснования выбора рабочей среды были проведены усталостные испытания в средах газового конденсата и вакуумного газойля. Среды были выбраны, исходя из их различной природы активности. Анализ полученных данных показал, что в

исследованной области долговечиостей разрушение в среде газового конденсата происходит быстрее, чем в вакуумном газойле, что, по-видимому, объясняется существенным вкладом коррозионной усталости, в то время как вакуумный газойль по своему составу и свойствам является поверхностно-активной средой, так как не содерясит в себе коррозионно-активных агентов.

В связи с этим дальнейшие исследования проводили только в вакуумном газойле, тем более, что его высокая температура кипения позволяет проводить их и при повышенных температурах.

Для определения влияния температуры и давления среды на усталостную прочность испытания проводили в среде вакуумного газойля при ^20, 100, 200°С и Р=0.1, 0.5, 1МПа. Отдельные результаты исследований приведены на рисунках 3 и 4. Уравнения, описывающие полученные кривые, представлены в таблице 2.

74Л а "О

Я * *

У

I <40 |

С X

I 590 |

540

490

100 1000 10000 НК10Ш)

Кил и ч ест но циклов до рал рушения, N

Рисунок 3 - Влияние температуры на характеристики усталостной прочности при давлении испытания 0,1 МПа Анализ полученных усталостных кривых стали 09Г2С в среде вакуумного газойля показал, что с увеличением температуры и давления число циклов до разрушения уменьшается.

Количество циклон до разрушении, N

Рисунок 4 - Влияние давления на характеристики усталостной прочности при температуре испытания 200°С Таблица 2-Зависимости, описывающие полученные экспериментальные данные

10000

Давление, Температура, °С

МПа 20 100 200

0,1 сг=-34,5411п(Ы)+ о = -26,0431п(]чГ)+ а = -24,3921п(Ы)+

+589,76 +503,58 +432,52

II2 = 0,9533 К2 = 0,9937 Я2 = 0,9612

0,5 с = -27,2831п(ЪГ)+ а - -25,071п(>0+ о = -24,2741п(Н)+

+ 517,38 + 491,96 + 475,38

И2 = 0,9987 Я2 = 0,9948 Я2 = 0,9895

1 о = -25,7631п(М)+ ст = -22,3671п(Ы)+ а = -21,4331п(!Ч)+

+ 494,97 + 460,75 + 447,42

Я2 = 0,9973 р>2 = о,9945 Я2 = 0,972

В треп.ей главе также представлены результаты металлографических исследований, из которых видно, что видимых изменений формы и размера

зерна в исследуемом диапазоне температур и давлений не наблюдается. Для оценки механических характеристик стали 09Г2С, используемых при расчетах, согласно ГОСТ 25.859, были проведены механические испытания образцов на растяжение.

В четвертой главе проведено сравнение экспериментальных и расчетных (ГОСТ 25.859) усталостных кривых. На рисунке 5 представлены расчетные и экспериментальные кривые малоцикловой усталости стали

750

я

а

а *

с. 550 с

3

| 450 Г.

j 350 3

£

е 250

о П

150

100 11100 10000 1001)00 Количеств циклов до разрушении, N

Рисунок 5 - Расчетные и экспериментальные усталостные кривые (t=20, 100, 200°С и Р=0,1 МПа) 09Г2С в среде вакуумного газойля при постоянном давлении (0,1 МПа) и разных температурах (20, 100, 200°С). Расчетные кривые построены по формуле (9) из ГОСТ 25.859 для определения допускаемой амплитуды напряжений при температурах 20°С, 100°С, 200°С.

На рисунке 6 представлены расчетная (t=200°C, Р=0,1 МПа) и экспериментальные кривые малоцикловой усталости стали 09Г2С в средс вакуумного газойля при давлениях (0.1, 0.5, 1 МПа) и температуре 200°С.

t = t = 20 100 С С i" I I I11II -Вак. газоПль (Т=21)°С. Р=0,1МПа) Расчетная кривая по ГОСТ 25859 (Т»20°С) --Влк. газойль (Т«100°С, Р-0.1М11а) 'I'ac'ieittitJi кривая по ГОСТ 25859 (Т=100аГ:) ---—Вак. газойли (Т=200°С, Г-0,1МПа) - '—'"Расчетная крггвая ио

(Л N \

ГЛ % } \

1-t-t- 2(1 Inn 200 L с: с: г N\ V

чХ rot •т 25И 59(1 -2 00= С

т ! Sä

Экспериментальные кривые построены с учетом коэффициента запаса по напряжениям (па=2) в соответствии с зависимостями, приведенными в таблице 2. Необходимость учета коэффициента запаса связана с тем, что в расчетных кривых он учитывается. Сравнение экспериментальных и расчетных кривых при соответствующих температурах и давлениях показало,

Колнчестии циклов до разрушения, N

Рисунок 6 - Расчетные и экспериментальные усталостные кривые (Ч = 200°СиР = 0.1,0.5, 1МПа) что кривые имеют различный наклон, наблюдается инверсия в ходе кривых при пороговых напряжениях порядка 300 МПа. То есть, существует интервал амплитудных напряжений, при которых экспериментальные кривые проходят ниже расчетных. Сделано предположение, что наблюдаемые при сравнении экспериментальных и расчетных кривых различия могут быть обусловлены различным характером проявления адсорбционного эффекта. При о>300МПа превалирует расклинивающее действие поверхностно-активных веществ, а при меньших напряжениях - его пластифицирующее действие, что было

подтверждено сравнительными измерениями микротвердости стали 09Г2С в среде вакуумного газойля и на воздухе.

Наблюдаемое значительное расхождение экспериментальных результатов, описанных выше, с расчетными позволяет сделать вывод, что при расчете долговечности оборудования необходимо учитывать влияние среды, давления и температуры, особенно при их совместном воздействии. Это весьма важно, так как при эксплуатации технологического оборудования все эти факторы действуют одновременно.

В данной главе рассмотрен также адсорбционный механизм, наблюдаемого снижения усталостной прочности стали 09Г2С при постоянной температуре и давлении. Механизм адсорбционного эффекта, заключающийся в облегчении образования новых поверхностей, возникающих при деформации твердого тела па основе развивающихся дефектов, объясняется снижением уровня поверхностной энергии твердого тела при адсорбции на нем элементов среды, т. е. в уменьшении работы образования новых поверхностей.

Как известно, трещины всегда имеют клиновидное сечение и возникают в условиях объемно-напряженного состояния тела, когда на данную элементарную площадку в любой точке твердого тела действуют, кроме нормальных (растягивающих), еще и тангенциальные напряжения.

Адсорбция вызывает' понижение поверхностного натяжения (ст) на поверхностях твердого тела на величину:

До = сто - стр

где сто - удельная поверхностная энергия металла до адсорбции; стр - удельная поверхностная энергия после адсорбции.

Это приводит к двумерной миграции по поверхностям адсорбционных слоев в устья микротрещин до препятствия, обусловленного собственными размерами адсорбирующихся молекул и соответствующего критической толщине зазора в микротрещины. В этом критическом зазоре естественная

граница адсорбционного слоя образует линейный барьер, на каждую единицу длины которого действует двумерное давление с0 - сг в сторону его дальнейшего продвижения в глубину микротрещины, способствуя, таким образом, развитию микротрещины (при постоянстве внешних усилий) и нарастанию деформаций. Эффект этого давления эквивалентен увеличению внешнего усилия Б на величину АР ~ сто - стг, заменяющую собой действие адсорбционных слоев и являющуюся их механическим эквивалентом. Таким образом, проникновение адсорбирующихся молекул в устье микротрещин и создает дополнительные раздвигающие усилия, что эквивалентно некоторому увеличению внешних сил; при заданных же механических условиях (т. е. заданных внешних силах) этот эффект вызывает возрастание величины деформации в упругих телах или скорости деформации - в телах упруго -пластических.

Следовательно, наблюдаемое при сравнении экспериментальных и расчетных кривых различия могут быть обусловлены адсорбционным эффектом.

Рассмотрен также механизм процесса, приводящего к снижению усталостной прочности при одновременном влиянии на усталостную долговечность рабочей среды различных температур и давления. Установлено, что с увеличением темперагуры и среды адсорбционно-усталостная долговечность падает, так как при увеличении температуры увеличивается проникающая способность среды, приводящая к увеличению расклинивающего эффекта, а увеличение давления среды способствует этому эффекту (рисунок 7).

На основе сравнения экспериментальных и расчетных кривых, анализа механизма, приводящего к наблюдаемым результатам, предложено ввести поправочный коэффициент в расчетные формулы ГОСТ 25.859. Поправочный коэффициент был рассчитан из отношения допускаемых

амплитуд напряжений, построенных по формулам из ГОСТ 25.859 и экспериментальных кривых:

к= Игост Нэксп.

Формулы для определения поправочного коэффициента при различных температурах (20, 100, 200°С) и давлениях (0.1, 0.5, 1 МПа) представлены в таблице 3.

Рисунок 7 - К механизму влияния температур!,т и давления на проникающую способность среды Таблица 3 - Расчетные зависимости поправочного коэффициента для определения допускаемой амплитуды напряжений по ГОСТ 25.859 для стали марки 09Г2С

ГГоппАни» МПа Температура, °С

20 100 200

0,1 К = 9,9204КГ°-2М)4 Ы2=0,9918 К = 12,788Ы-П':,|И Л2=0,9949 К 13,046К-°-5ГЛ' Я2=0,9949

0,5 К = 12,28901\Го'3|Ш 112=0,9941 К = 13,19М~°'ЗШ Я2=0,9952 К= 12,99ША3138 Я2-0,9952

1 К = 12,915№°'31Ш 112=0,9939 К=14,209Ы-°'М90 К2=0,9949 К = 14,41 Ш4и244 Я2=0,9958

Приводится уточненная схема расчета остаточного ресурса, учитывающая поправочный коэффициент, по которой проведен расчет

остаточного ресурса узла аппарата по критерию малоцикловой усталости. Отличие от стандартной схемы заключается в том, что если при расчете мы попадаем в диапазон долговечностей левее порогового, то дальнейший расчет производится по формулам ГОСТ 25.859 с учетом поправочного коэффициента, а если правее - без учета коэффициента, а расчет ведется в данном случае в запас прочности.

Схема расчета остаточного ресурса представлена на рисунке 8.

Анализ технологических параметров О, Р, >1, материал)

а = /(1,Р) Ь = /(1,Р)

(по экспериментальным данным)

I

1

Расчет ресурса.

[М]

Рисунок 8 - Схема расчета остаточного ресурса оборудования Ниже приведен пример расчета остаточного ресурса элемента аппарата. Проверочный расчет остаточного ресурса элемента аппарата был выполнен в соответствии с ГОСТ 25.859 «Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках».

Исходные данные Наименование аппарата - Теплообменник

Рассчитываемый узел - Оболочка со штуцером без накладного кольца Тип сварного шва / соединения - Стыковой шов с полным проваром и плавным переходом

Материал рассчитываемого узла - сталь 09Г2С Характеристика материала А, МПа - 45000.00 Характеристика материала В, МПа - 181.20

Наименование Значение

Расчетная температура, НС 200

Доп. напряжения [а], МПа 165

Модуль упругости Е, МПа 181000

Коэф. лип. расширения основного

Материала, • 10"6 14

Размах давления ДР, МПа 1.1

Допускаемое давление [Р], МПа 1.2

Размах усилия АР, МН 1

Допускаемое усилие [Р], МН 1.2

Размах момента ДМ, МНмм 1

Допускаемый момент [М], МНмм 2

Число циклов погружения на момент

определения остаточного ресурса, N 2000

Результаты расчета Коэффициент учета местных напряжений, т] - 3 Коэффициент учета типа сварного соединения, Е, - 1

Наименование Значение

а 14,41

Ь 0,3244

Нц'ЕД 3730

Амплитуда напряжений, МПа 556.87

Допускаемое число циклов

нагружения [И] 2908

Отношение N/[>1] 0.6878

К 1,21

Допускаемое число циклов

нагружения с учетом

поправочного коэффициента [И] 2403

Остаточный ресурс, /\.Ы 908

Остаточный ресурс с учетом

поправочного коэффициента, ЛЫ 403

Можно видеть, что неучет совместного влияния рабочих параметров приводит к завышенным результатам остаточного ресурса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для испытаний на усталостную прочность образцов диаметром от 1 до 5 мм, с частотой нагружения от 1 до 40 циклов в минуту, изготовленных из сталей, применяемых для изготовления аппаратов, работающих в нефтепереработке и в нефтехимии, оснащенная комплексом разнообразных приборов и устройств. Установка позволяет реализовать поперечный изгиб при вращении круглых консольных образцов в диапазоне температур (20 - 300"С) и давлений (0,1 -5 МПа).

2. Установлена существенная зависимость усталостной долговечности стали 09Г2С от адсорбционного действия вакуумного газойля как

поверхностно-активного вещества. Выявлено пороговое значение приложенных в цикле амплитудных напряжений (-300 МПа), разделяющего эффект на два механизма проявления. При с>300МПа превалирует расклинивающее действие поверхностно-активных веществ, а при меньших напряжениях - его пластифицирующее действие.

3. На основе анализа расчетных и экспериментальных данных введен поправочный коэффициент, позволяющий объективно оценивать долговечность в условиях адсорбционной усталости аппаратов нефтехимии и нефтепереработки из стали 09Г2С.

4. Разработаны рекомендации применимости поправочного коэффициента при расчетах на устойчивую прочность и долговечность по формулам ГОСТ 25.859. Рекомендовано использовать поправочный коэффициент для стали 09Г2С в среде вакуумного газойля при амплитудах исследуемого в работе диапазона напряжений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ахмадеев Н А., Филимонов Е.А., Калашников С.А., Наумкин Е.А. Установка для изучения влияния рабочей среды на поведение материала при малоцикловом нагружении // Материалы II Всероссийской научно-технической конференции "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность". - Уфа: УГНТУ, 1996,- С. 34.

2. Калашников С.А. Влияние условий эксплуатации на параметры малоцикловой усталости основного металла технологического оборудования // Материалы I Международного симпозиума "Наука и технология углеводородных дисперсных систем",- Москва: ГАНГ им. И.М. Губкина 1997,-С. 63 -64.

3. Калашников С.А., Наумкин Е.А. Установка для коррозионно усталостных испытаний// В сб.: Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. - Уфа: УГАТУ, 1997,- С. 338.

4. Ахмадеев H.A., Филимонов Е.А., Калашников С.А., Наумкин Е.А. К вопросу изучения влияния рабочих условий на поведение материала при малоцикловом нагружении// В сб.: Проблемы защиты окружающей среды на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии. - Уфа: ИПНХП АН РБ, 1997,-

5. Калашников С.А., Наумкин Е.А. Установка для изучения влияния рабочих условий на поведение материала при малоцикловом нагружении/7 В сб.: Материалы 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 1997,- С. 33.

6. Ахмадеев H.A., Калашников С.А., Наумкин Е.А., Басыров P.P. Установка для проведения коррозионно-усталостных испытаний по жесткой схеме нагружения// В сб.: Материалы 49-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 1998,- С. 211.

7. Калашников С.А., Наумкин Е.А. Влияние давления и температуры на коррозионно-усталостные разрушения стали 09Г2С при малоцикловом нагружений//В сб.: Проблемы нефтегазового комплекса России. Переработка углеводородного, сырья. Нефтехимия/Тез. докладов Международной научно-технической конференции. - Уфа: УГНТУ, 1998,- С. 114.

С.237.

Соискатель

С.А. Калашников

/У ' 99- /г/-/л^у

/■ ' ч/*/ «У / /IV/*/ -¿А

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи КАЛАШНИКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ОБОЛОЧКОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛИ 09Г2С

Специальность 05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и

химических производств

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Кузеев И.Р.

Уфа 1998

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10

Надежность и безопасность технологического оборудования 10

1.1.1 Анализ разрушения оболочковых конструкций 10

1.1.2 Проблемы обеспечения заданной прочности 13

1.2 Механика разрушения при малоцикловой усталости 18

1.2.1 Проблемы малоцикловой усталости 18

1.2.2 Критерии малоцикловой усталости 19

1.2.3 Характеристика сопротивления малоцикловой

деформации 24

1.2.4 Основные расчеты на малоцикловую усталость 28

1.3 Влияние среды на малоцикловую усталость металлов 35

1.3.1 Влияние среды 3 5

1.3.2 Влияние амплитуды циклической деформации и частоты нагружения 36

1.3.3 Характер разрушения материалов при малоцикловом

нагружении 37

1.3.4 Масштабный эффект 3 8

1.4 Методы и средства испытаний на усталостную прочность 39

1.4.1 Схемы нагружений 39

1.4.2 Типы кривых усталости 41

1.4.3 Образцы для испытаний 44

1.4.4 Машины и установки для испытаний при малоцикловом 46 нагружении

1.5 Цель и постановка задач 49

2 УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ 51

2.1 Описание установки 51

2.1.1 Механизм вращения 51

2.1.2 Испытательная камера 5 3

2.1.3 Узел поддержания заданной температуры 54

2.1.4 Устройство для определения момента излома образца и 56 подсчета числа циклов до разрушения

2.2 Методика проведения испытаний 57

2.2.1 Условия проведения испытаний 57

2.2.2 Изготовление образцов 58

2.2.3 Определение напряжений 60

2.2.4 Определение погрешности 61 ВЫВОДЫ 63

3 МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ СТАЛИ МАРКИ 09Г2С 64

3.1 Выбор материала и его основные характеристики 64

3.2 Зависимость усталостной прочности стали 09Г2С от среды, температуры и давления 66

3.2.1 Влияние среды 66

3.2.2 Влияние температуры 71

3.2.3 Влияние давления 75 3.3 Металлография и механические испытания 80

3.3.1 Металлографические исследования 80

3.3.2 Механические испытания 84

3.3.3 Определение кинематической вязкости 87 ' ВЫВОДЫ . 88

4 ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ

СРЕДЫ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ 89

4.1 Сравнение расчетных и экспериментальных кривых 89

4.2 Адсорбционный механизм понижения прочности 94

4.3 Влияние давления, температуры и скорости деформации на циклическую прочность стали 100

4.4 Расчет поправочного коэффициента 104

4.5 Пример оценки остаточного ресурса 105 4.5.1 Расчет на прочность элемента аппарата 106

ВЫВОДЫ 110

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 111

ЛИТЕРАТУРА 112

ПРИЛОЖЕНИЯ 120

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатирующееся в настоящее время технологическое оборудование нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств характеризуется все возрастающей единичной мощностью и сложностью процессов, применяемых устройств и механизмов. Вместе с тем основная часть технологического оборудования и трубопроводов предприятий выработала регламентируемый срок службы. В связи с этим остро стоит проблема надежности и безопасности технологического оборудования.

В последнее время особое внимание, с точки зрения надежности и оценки остаточного ресурса технологического оборудования, уделяется циклическим нагрузкам, обусловленным технологией, периодическими остановами и пусками, срабатыванием систем аварийной защиты, периодическими гидроопрессовками и т. д. Это связано прежде всего со сложной экономической ситуацией в нефтехимических отраслях промышленности, где частые перебои с сырьем приводят к использованию сырья с разных месторождений. Кроме того, из-за отсутствия сырья остановки и пуски происходят намного чаще, чем по графику планово-предупредительных ремонтов. В связи с этим более пристальное изучение специфического воздействия циклических нагрузок на оборудование становится особенно актуальным, особенно с точки зрения повышения надежности прогнозирования усталостного разрушения.

На практике при оценке усталостной прочности, как правило, внешние нагрузки (давление, температура) учитываются, в основном, с точки зрения их влияния на напряженно-деформированное состояние металла и изменения механических характеристик материала. В то же время, наличие в сырье различных поверхностно-активных веществ определяет возможность возникновения на поверхности контакта металла с сырьем дополнительных эффектов, приводящих к снижению долговечности конструкций, особенно в условиях малоциклового нагружения.

Исходя из вышесказанного, в настоящей работе, была поставлена цель: изучить комплексное влияние условий эксплуатации (среда, температура и давление) на усталостную прочность оболочковых конструкций нефтепереработки и нефтехимии, изготовленных из стали 09Г2С.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для испытаний на усталостную прочность (при поперечном изгибе), которая позволяет проводить испытания в диапазонах температур от 20 до 300°С, давлений от 0,1 до 5 МПа и частот от 1 до 40 об/мин с автоматической регистрацией момента разрушения образца.

2. Изучение адсорбционного влияния среды на усталостную прочность стали 09Г2С при различных температурах и давлениях.

3. Анализ и сравнение расчетных и экспериментальных параметров долговечности в условиях адсорбционной усталости.

4. Разработка рекомендаций по совершенствованию методов расчета усталостной долговечности и остаточного ресурса оболочковых конструкций, изготовленных из стали 09Г2С, с учетом влияния условий эксплуатации.

По структуре работа состоит из четырех глав.

В первой главе рассмотрены и проанализированы работы, посвященные вопросам усталостной прочности конструкций при малоцикловом нагружении. Проанализированы причины отказов сосудов давления. В данной главе также рассмотрены вопросы физических механизмов, приводящих к снижению усталостной прочности, изученные в настоящее время. Отмечено также, что исследования в основном проводились на металлах без привязки к реально действующим технологическим средам и их параметрам. При этом выявлена существенная роль адсорбционного механизма влияния среды на усталостную прочность материалов.

В главе также рассмотрены методы и средства экспериментальной проверки теоретических расчетов на усталостную прочность. Сделан обзор существующих машин для испытания образцов на усталостную прочность.

В заключении главы сделаны выводы о целесообразности и актуальности темы диссертации, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены принципы создания экспериментальной установки для испытания цилиндрических образцов на усталостную прочность. Показана схема задания необходимых амплитуд напряжений при помощи грузов, прикрепляемых к образцам. Рассчитаны погрешности определения величины напряжения.

В третьей главе на основе проведенного анализа базы данных по техническому обслуживанию НПЗ г. Уфы дано обоснование выбора материала исследований, также дано обоснование выбора среды.

Показаны результаты испытания образцов в среде вакуумного газойля в зависимости от температуры при постоянном давлении и при постоянной температуре в зависимости от давления.

С целью изучения влияния циклического упругопластического деформирования на структуру исследуемой стали приведено описание металлографических исследований.

Представлены методы определения физико-механических свойств материалов,

В четвертой главе проведено сравнение экспериментальных и расчетных по формулам ГОСТ 25.859 усталостных кривых. Показано существование интервала амплитудных напряжений, при которых экспериментальные кривые проходят ниже расчетных. Дано объяснение, что наблюдаемая инверсия в ходе кривых при пороговых напряжениях порядка 300 МПа может быть обусловлена различным характером проявления адсорбционного эффекта. При ст>300МПа превалирует расклинивающее действие поверхностно-активных веществ, а при меньших напряжениях - его

пластифицирующее действие, что было подтверждено сравнительными измерениями микротвердости стали 09Г2С в среде вакуумного газойля и на воздухе.

В данной главе рассмотрен также адсорбционный механизм, наблюдаемого снижения усталостной прочности стали 09Г2С при постоянных температуре и давлении.

Обоснована необходимость введения поправочного коэффициента в расчетные формулы ГОСТ 25.859. Представлены формулы для определения коэффициента в зависимости от температуры и давления.

Предложена схема расчета остаточного ресурса, учитывающая поправочный коэффициент.

Для иллюстрации обнаруженного эффекта приведен проверочный расчет.

Автором разработана и изготовлена экспериментальная установка для испытаний на усталостную прочность образцов диаметром от 1 до 5 мм, с частотой нагружения от 1 до 40 циклов в минуту, изготовленных из сталей, применяемых для изготовления аппаратов, работающих в нефтепереработке и в нефтехимии, оснащенная комплексом разнообразных приборов и устройств. Установка позволяет реализовать поперечный изгиб при вращении круглых консольных образцов в диапазоне температур (20 -300°С) и давлений (0,1 -5 МПа).

Установлена существенная зависимость усталостной долговечности стали 09Г2С от адсорбционного действия вакуумного газойля как поверхностно-активного вещества. Выявлено пороговое значение приложенных в цикле амплитудных напряжений (~300 МПа), разделяющее эффект на два механизма проявления. При сг>300МПа превалирует расклинивающее действие поверхностно-активных веществ, а при меньших напряжениях - его пластифицирующее действие.

На основе анализа расчетных и экспериментальных данных введен поправочный коэффициент, позволяющий объективно оценивать

долговечность в условиях адсорбционной усталости аппаратов нефтехимии и нефтепереработки из стали 09Г2С.

Разработаны рекомендации применимости поправочного коэффициента при расчетах на устойчивую прочность и долговечность по формулам ГОСТ 25.859. Рекомендовано использовать поправочный коэффициент для стали 09Г2С в среде вакуумного газойля при амплитудах исследуемого в работе диапазона напряжений.

Автор искренне признателен своему научному руководителю д.т.н., профессору Кузееву И.Р. и научному консультанту к.ф-м.н Ахмадееву H.A. за постановку задачи исследований и постоянную помощь в работе.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В настоящей главе приведен обзор работ по механике малоциклового разрушения. Рассмотрены известные критерии малоцикловой усталости, характеристики сопротивления малоцикловой деформации, методы расчета.

Описаны способы проведения усталостных и коррозионно - усталостных испытаний. Сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

1.1 Надежность и безопасность технологического оборудования

1.1.1 Анализ разрушения оболочковых конструкций

Несмотря на то, что в процессе проектирования, как правило, проводится детальный анализ основных режимов работы конструкции и принимаются меры по обеспечению ее прочности во всех рассматриваемых случаях, такой анализ не всегда может явиться достаточной гарантией работоспособности конкретных изделий. Причины этого могут быть различны, но в основе всех случаев нарушения работоспособности лежит недостаточность имеющихся представлений о неблагоприятных ситуациях, возможных для рассматриваемого класса конструкций в связи с особенностями их эксплуатации, принятыми конструктивными решениями, используемыми конструкционными материалами и технологией изготовления.

Практически наиболее эффективным для повышения работоспособности конструкций является анализ опыта эксплуатации, особенно случаев разрушения аналогичных изделий. При таком анализе следует исходить из существующих представлений о механизмах разрушения материалов. Это, с одной стороны, дает возможность составить более полное представление о факторах, определяющих прочность и долговечность конструкций, и, с другой стороны, позволяет уточнить имеющиеся закономерности процессов разрушения элементов конструкций [1].

Управлением по атомной энергетике Великобритании [3] были исследованы паровые котлы, теплообменники, резервуары химической и нефтехимической промышленности и т. д. Среди рассмотренных 229 отказов было 13 отказов катастрофического характера. В остальных случаях эксплуатация была прекращена, так как обнаруженные повреждения были классифицированы как опасные.

В таблице 1.1, 1.2 приведены сведения о характере отказов и классификация причин, которые привели к развитию трещин.

Таблица 1.1- Характер отказов сосудов давления

Наименование Число отказов %

Развитие трещин 215 94

Дефекты изготовления 5 . 2

Коррозия 1 0,44

Ошибки при эксплуатации 3 1,33

Ползучесть 3 1,33

Не установлен 2 0,9

Всего 229 100

Таблица 1.2- Классификация причин, приводящих к развитию трещи]

Наименование Число отказов %

Усталость 52 24

Коррозия 30 14

Технологические трещины 62 29

Не установлена 61 28

Различные (ползучесть, ошибки

при эксплуатации и т. д.) 10 5

215 100

Статистика случаев повреждений сосудов высокого давления [2], работающих в составе как обычных, так и атомных энергетических установок

(таблица 1.3), наглядно демонстрирует доминирующую роль процессов усталости в возникновении и развитии повреждений.

Таблица 1.3 - Статистика отказов сосудов давления

Число отказов сосудов

Причина отказа давления, %

обычных атомных

Механическая или термическая

усталость 26 29

Коррозионно-механическая

усталость 31 41

Дефекты производства 19 18

Прочие (в том числе и

невыясненные) 24 12

Анализ случаев возникновения и развития усталостных повреждений сосудов позволяет сформулировать следующие основные особенности данного вида разрушения.

1. Процессы усталостного разрушения в сосудах высокого давления связаны с нестационарностью режимов эксплуатации, вызывающей периодическое изменение уровня напряжений в отдельных элементах конструкции за счет изменения давления рабочей среды и возникновения неоднородных температурных полей.

2. Возникновение усталостного повреждения определяется в основном локальными ситуациями в отдельных элементах конструкции, связанными с высокими местными напряжениями. Источниками высоких напряжений могут служить неудачно выполненные конструктивные узлы (штуцера, патрубки, зоны сопряжения элементов разной толщины), неоднородные температурные поля, технологические дефекты металла, а также различные сочетание указанных факторов.

3. Развитие усталостного повреждения существенно зависит от размеров зоны концентрации напряжений. При малых размерах зоны концентрации напряжений возможно существенное замедление процессов развития сравнительно быстро возникшей усталостной трещины, тогда как в случае значительных размеров зоны концентрации, сопоставимых с толщиной стенки сосуда, возможно быстрое развитие возникшей усталостной трещины. Наиболее неблагоприятными случаями с точки зрения снижения полной долговечности сосуда могут явиться сочетания различного рода концентраторов напряжений, в частности расположение технологического дефекта в зоне конструктивной концентрации напряжений или наложение температурных напряжений на напряжения от рабочего давления в зоне концентрации у конструктивных элементов больших размеров.

4. Возникновению и развитию усталостного повреждения может способствовать коррозионное воздействие рабочей среды, которое проявляется как за счет снижения сопротивления материала, так и за счет создания дополнительных поверхностных концентраторов напряжений в виде язв, питтингов и т. п. [1].

Таким образом, особенно актуальной становится проблема повышения надежности прогнозирования усталостной прочности машин и конструкций.

1.1.2 Проблемы обеспечения заданной прочности

Современный уровень технического прогресса позволяет создавать машины и конструкции, которые обладают высокой надежностью. Основой дл; этого служит комплекс мер, применяемых на стадиях проектирования, монтажа и эксплуатации. На стадии проектирования - это выбор рациональных конструктивных схем и материалов, надлежащий расчет с учетом всех воздействий, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации. На стадиях изготовления и монтажа - это тщательный контроль материалов и комплектующих изделий, промежуточные контрольные испытания отдельных элементов, узлов и агрегатов в целом.

Важная роль в обеспечении безопасности и надежности техни