автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Восстановление работоспособности деталей технических устройств с трещиноподобными дефектами композитными материалами

№4609827

На правах рукописи

КРУТИКОВ ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ТРЕЩИНОПОДОБНЫМИ ДЕФЕКТАМИ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 05.02.13. - «Машины, агрегаты и процессы» (машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2010

004609827

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

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Абдеев Ринат Газизьянович; кандидат технических наук Прохоров Андрей Евгеньевич.

Ведущая организация

ГУП «БашНИИнефтемаш».

Защита состоится «25» июня 2010 года в 15-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государст венного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «25» мая 2010 года.

Ученый секретарь совета

Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В последние годы предпринимаются существенные шаги по обновлению основных фондов нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Однако эти мероприятия не решают в полной мере вопроса обеспечения надежности оборудования, которое длительное время находится в эксплуатации. Замена такого оборудования на новое - процесс постепенный и требует колоссальных материальных, трудовых и экономических ресурсов. Поэтому вопрос продления жизненного цикла уже действующих технических устройств является актуальным для стабильной работы и развития любого предприятия.

Существенное влияние на техническое состояние деталей, узлов или объекта в целом оказывает наличие дефектов, поэтому своевременное их выявление и квалифицированное устранение является гарантией обеспечения безопасности оборудования.

В настоящее время, для восстановления исходных рабочих характеристик конструкций, основным методом при проведении ремонтных работ остается сварка плавлением. Однако возникают ситуации, когда необходимо оперативное вмешательство для устранения дефекта, а остановка оборудования и его подготовка к огневым работам не возможна. С другой стороны, существуют и другие технологии ремонта, позволяющие устранить дефект без огневого вмешательства, но возможность их использования на действующем оборудовании опасных производственных объектов ограничена из-за отсутствия нормативной документации, определяющей область их применения.

В настоящее время во многих областях промышленности широко используются полимерные составы, применяемые для ремонта, известные как метод «холодная сварка». Они стойки к агрессивным средам, не выделяют при полимеризации тепла, способного вызвать возгорание горючих материалов, имеют широкий температурный диапазон использования, способны соединять разнородные материалы, обеспечивая высокую прочность соединения. При применении таких материалов, ликвидация дефекта производится оперативно и в короткие

сроки, в отдельных случаях без остановки производственного процесса. У отремонтированных деталей не возникает послесварочных напряжений и деформаций в околошовной зоне, свойственных после ремонта сваркой плавлением.

Поскольку определяющим критерием качества таких соединений является их прочность, а исследования по улучшению механических характеристик продолжаются, то их использование при выполнении ремонтных работ представляется наиболее перспективным. Однако, для их применения на технологическом оборудовании, необходимо научное обоснование критериев применимости.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Установить область применения метода восстановления работоспособности деталей, имеющих трещиноподобные дефекты, с использованием полимерных композитных материалов на оборудовании, эксплуатируемом в условиях статического и циклического нагружения, с разработкой методики расчета долговечности ремонтного соединения и алгоритма ремонтных работ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 Исследование закономерности скорости роста трещин в образцах с трещиноподобным дефектом из стали 09Г2С, подверженной воздействию циклических нагружений в области малоцикловой усталости и влияние полимерного композитного материала в ремонтном соединении на их рост.

2 Проведение сравнительного анализа результатов циклического нагружения образцов с трещиноподобным дефектом в области малоцикловой усталости, при наличии в трещине полимерного композитного материала и без него.

3 Оценка влияния шероховатости поверхности металла пластин, соединенных внахлест полимерным композитным материалом, на адгезионную прочность статическим растяжением.

4 Разработка алгоритма ремонтных работ и технологии проведения ремонтов трещиноподобных дефектов технических устройств;

5 Разработка первичной нормативной документации на выполнение ремонтных работ с использованием полимерных композитных материалов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1 Установлено предельное значение максимальной упругопластической деформации в зоне концентрации напряжений образцов из стали 09Г2С, составившее 0,36%, для эффективного применения способа холодной сварки, на примере композитного полимерного материала иГЫ1ЯЕР-3, при экстренном ремонте изделий с трещиноподобными дефектами, выше которого применение данного способа не целесообразно.

2 Введен поправочный коэффициент в уравнение Пэриса, позволяющий оценить снижение скорости роста усталостной трещины при заполнении ее полости композитным полимерным материалом типа ЦМШЕР-З, который для стали 09Г2С определяется по формуле крем = 10"2 х Кп''4.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Разработанный метод применения полимерных композитов использован при ремонтах на действующем оборудовании ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»: рационализаторские предложения № 795 от 05.11.2002; № 1699 от 28.03.2003; № 156 от 10.06.2003.

Впервые разработан и введен в действие стандарт предприятия СТО 05766575.403952-2007.50. «Литые чугунные втулки цилиндров для поршневых компрессоров». Предлагаемая технология использована для исправления дефектов литья на обрабатываемых поверхностях.

Метод исправления дефектов апробирован при проведении ремонтов факельного коллектора, резервуара, деталей насосов и компрессоров на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Достоверность исследований обеспечивается используемой в работе нормативной базой, применением стандартных методов исследований с использованием методов математической статистики. Полученные автором основные результаты согласуются с известными закономерностями о механизмах разрушения и экспериментальными данными других исследователей.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на второй научно-технической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия - 2005» (Уфа, 2005 г.), IV Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского» (Тамбов, 2009 г.), XIV Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 2010 г.). ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано шесть работ, в том числе 1 статья помещена в издании, включенном в перечень ВАК РФ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 114 наименований, содержит 125 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков, 17 таблиц и приложения.

Автор искренне признателен к.т.н. доценту Наумкину Е.А. за оказанную помощь при постановке задачи и анализе результатов исследования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность, новизна и практическая ценность выбранной темы диссертационной работы. Сформулированы цель и основные задачи исследований, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе выполнена классификация дефектов, возникающих в процессе эксплуатации оборудования. Описаны механизмы возникновения трещин при статическом и циклическом нагружении. Рассмотрены возможные методы ремонта оборудования с трещинами для восстановления его эксплуатационных свойств.

Для усталостных повреждений, из всего разнообразия выявляемых при экспертизе промышленной безопасности дефектов, условно определены две ос-

новные их группы - внутренние и наружные дефекты. Показаны примеры их развития при различных условиях эксплуатации.

При изучении природы разрушения были использованы работы Серенсе-на C.B., Махутова H.A., Зайнуллина P.C., Морозова Е.М., Школьника Л.М., Ко-гаева В.П., Ботвиной Л.Р., Романова А.Н., Вейбулла В., Ивановой B.C., Владимирова В.И., Горицкого В.М., Терентьева В.Ф., Хапимова А.Г., Болотина В.В. Алехина В.П. и др.

Из всего спектра дефектов, наиболее опасными являются поверхностные трещины. Рассмотрен альтернативный метод ремонта с применением композитных материалов, для которого поверхностные трещины представляются наиболее доступным видом дефекта.

Сделан сравнительный обзор полимерных клеящих составов, указан ряд положительных свойств, благоприятствующих их применению при ремонтах нефтехимического и нефтеперерабатывающего оборудования. Описано их преимущество в сравнении с применяемой сварочной технологией.

По результатам обзорного анализа сделан вывод о целесообразности дальнейших исследований по возможности использования ремонтных технологий с применением полимерных композитных материалов.

Во второй главе диссертационной работы приведен обзор, описание и обоснование выбора объектов и методов исследований. Описаны методы обработки результатов.

Анализ материалов, из которых изготовлено технологическое оборудование заводов ОАО «Сапаватнефтеоргсинтез», показал, что основную долю конструкционных материалов, применяемых в нефтехимии и нефтепереработке, составляют углеродистые стали (более 50%). На коррозионностойкие стали приходится 26 - 28%, а на низколегированные до 20%.

В связи с тем, что низколегированные стали имеют все большее применение в современном машиностроении, а подавляющее большинство занимает оборудование, изготовленное из углеродистых сталей, то в работе обоснован выбор материалов для изготовления образцов из стали 09Г2С по ГОСТ 192817

89 и ВСтЗсп по ГОСТ 380-94. Аустенитные стали, даже при достаточно их широком применении, для изготовления образцов использованы не были. Выход из строя оборудования из этих материалов обусловлен или коррозийным износом или межкристаллитным разрушением. Данные виды дефектов предлагаемой технологией устранению не рекомендуется.

В настоящее время насчитывается около ста марок только отечественных синтетических клеев и около двадцати металлополимерных клеящих составов, известных как «холодная сварка». При выборе наполнителя для проведения исследований изучены физико-механические и технологические характеристики десяти наиболее применяемых клеевых составов на основе эпоксидных смол и пяти металополимерных композитных материалов. Исследованиям их свойств посвящены труды Кардашова Д.А., Петрова А.П., Князева В.К., Ковачич Л. и др. В результате анализа были выбраны наполнители, имеющие Российскую сертификацию («Лео», «Полирем») и отвечающие требованиям международных стандартов («иЫЖЕР», «ОЕУСОЫ», «ВЕЬгОЫА»),

Учитывая технологические параметры эксплуатации оборудования нефтеперерабатывающих предприятий, наиболее оптимальным клеящим составом для исследований влияния наполнителя на усталостную долговечность материалов при наличии в них трещиноподобных дефектов в данной работе был определен «иМЯЕР-З». Это двухкомпонентный пастообразный материал для ремонта машин и механизмов. Благодаря зернистости в 5-7 микрон - пластичен при нанесении, обладает хорошими адгезионными свойствами. Устойчив к коррозии и эрозии, применим при температурах от -30 до +200 °С, не теряет физико-механических свойств более 5 лет. Возможна любая, после отверждения, последующая механическая обработка.

Приведена методика статических испытаний, оценка на усталостную прочность и описан способ определения адгезионной прочности ремонтного соединения при различной шероховатости. По этим методикам выполнены исследования пятью методами:

а) оценка усталостной прочности образцов, изготовленных по ГОСТ 25.502, при различной относительной деформации 0,42%, 0,6% и 0,78%, но с постоянной глубиной надреза, выполненной механическим способом. Исследования проведены на плоских образцах из стали 09Г2С трёх видов:

О - без надреза,

ОН - с надрезом глубиной и шириной 1 мм,

ОНИ - с надрезом глубиной и шириной 1 мм, наполненным ПЫШЕР -3;

б) оценка усталостной прочности образцов из стали 09Г2С, изготовленных по ГОСТ 25.502 при относительной деформации 0,78% с предварительно выращенной различной длины трещиной. Исследования выполнены на плоских образцах двух видов:

ОТ - с выращенными трещинами длиной 1, 2 и 3 мм,

ОТН - с трещинами длиной 1, 2 и 3 мм, наполненными ЩЯШЕР -3;

в) определение максимальной упругопластической деформации в зоне концентрации напряжений образцов ОНН, изготовленных по ГОСТ 25.502, выше которой применение ЦЫ1ЯЕР -3 для ремонтов различных видов оборудования не целесообразно;

г) оценка адгезионной прочности полимерного состава. Исследования выполнены посредством склеивания внахлёст двух пластин из стали ВСтЗсп (рисунок 1) при различных параметрах шероховатости;

д) экспериментальное определение максимальных напряжений в вершине трещины при статическом растяжении образцов (рисунок 3) и сравнительный анализ с результатами, полученными на основе моделирования процесса статического растяжения, используя программный комплекс (ПК)

Исследования на малоцикловую усталость методами «а», «б» и «в» выполнено с использованием установки усталостных испытаний, которая позволяет нагружать плоские образцы по схеме чистого симметричного изгиба. По способу нагружения данная установка относится к испытательным машинам, осуществляющим принцип постоянства заданной величины деформации в те-

чение всего времени испытания. При этом режим изменения напряжения в испытуемом образце происходит по симметричному циклу.

Статические испытания методами «г» и «д» выполнены на разрывных машинах марок УММ-50 и УММ-5.

Третья глава диссертационной работы посвящена изучению прочности ремонтных соединений. В ней рассмотрен вопрос влияния шероховатости кон-тактируемой поверхности металла на адгезионную прочность соединения и выполнено сравнение результатов расчетного и экспериментального определения распределения напряжений в образце с ремонтным составом.

Проверка адгезионной прочности полимерного композитного материала при различных параметрах шероховатости соединяемых элементов металла из стали ВСтЗсп осуществлялась по схеме, представленной на рисунке 1. Всего было использовано 50 заготовок размером 100x25x2 мм, из которых путем склеивания внахлест было изготовлено 25 образцов.

35

тпимерныи композитный патериол

Рисунок 1 - Образец для проверки адгезионной прочности полимерного композитного материала Для определения наиболее благоприятных условий применения полимерных наполнителей рассмотрено несколько вариантов инструментальной подготовки поверхности заготовок, применительно к условиям производства. Таким образом, образцы, имеющие различные параметры шероховатости Яг = 3,2мкм; 10 мкм; 40 мкм; 80мкм и 290 мкм были распределены на пять групп.

Анализ значений нагрузок, возникающих в момент разрушения образцов, выявил, что наиболее предпочтительным вариантом подготовки трещины к заделке в условиях производства является пескоструйная очистка, с дальнейшим

удалением пыли и обезжириванием контактируемой поверхности.

10

Ч-1-

-4-

-Ь

-I-

3,2 10 20 40 80 160 290 320

Шероховатость контактируемой поверхности. Л,

Рисунок 2 - Зависимость адгезионных свойств наполнителя от подготовки поверхности склеивания Сравнение значений напряженно-деформированного состояния в вершине надреза с глубиной / = 5, 10 и 15 мм осуществлялось расчетным и экспериментальным методами. Геометрические параметры исследуемого объекта для моделирования процесса статического растяжения и проведения экспериментов приведены на эскизе рисунка 3.

Рисунок 3 - Геометрические параметры образца Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине трещины при условиях наличия в ее полости композитного материала и без него,

выполнен методом конечных элементов (МКЭ) с использованием ПК А^УБ*. Для получения результатов НДС в вершине трещины поставлена задача:

- прямоугольная пластина с надрезами (рисунок 3) нагружена растягивающими продольными сосредоточенными силами, приложенными по краю отверстий. Материал пластины - ВСтЗсп, толщина - 10 мм. Необходимо найти напряжения в вершине надреза при различных нагрузках, а также получить поля напряжений и деформаций.

При моделировании образца со связующим наполнителем в трещинопо-добном дефекте была введена дополнительная сжимающая распределенная нагрузка, расположенная по берегам дефекта, которая частично скомпенсировала растягивающие усилия, действующие на образец.

Результаты НДС вершины трещины при различных растягивающих нагрузках приведены на рисунке 4.

При проведении статических испытаний использовано 36 образцов (рисунок 3) из листового проката углеродистой стали обыкновенного качества ВСтЗсп по ГОСТ 380-94, толщиной 10 мм без дополнительной механической доработки. Значения НДС в вершине трещины получены в результате применения метода электротензоизмерений. Метод основан на измерении приращения электрического сопротивления проводника (полупроводника), деформируемого совместно с деталью, к которой он прикреплен. Датчики наклеены в максимальном приближении к вершине трещины.

Результаты показали высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных, расхождение которых не превысило 8 %, что позволяет последующие определения НДС, с другими сталями и композитными материалами, выполнять в ПК ЛЫБУБ.

* - Расчет выполнен совместно с Кружковым Д.В. и к.т.н. Евдокимовым Г.И.

к о -1-1-1-1-1-1-1-

2,5 7,5 12,5 17,5 22.5 27,5 32,5 37,5 42,5 Растягивающие усилия, Г кН

I - расчетный результат без наполнителя;

II - расчетный результат с наполнителем;

III - экспериментальный результат без наполнителя;

IV - экспериментальный результат с наполнителем Рисунок 4 - Зависимость напряжения в вершине трещины

от растягивающего усилия

Полученные результаты НДС указывают на то, что наличие композитного материала в полости надреза приводит к снижению напряжений в его вершине, возникающих под действием статических растягивающих нагрузок в области упругой деформации.

Степень влияния наполнителя на НДС можно оценить путем введения добавочной функции /2, учитывающей физико-механические свойства наполнителя:

(1)

где а( - напряжение в вершине трещины при наличии в ее полости наполнителя, МПа;

а - напряжение в вершине трещины без наполнителя в ее полости, МПа.

Напряжение в окрестности вершины трещины определяется по формуле:

а = К1/(ЛЬ)0'5, (2)

где К( - коэффициент интенсивности напряжений, МПа м0'5;

И - длина трещины, м.

Тогда с учетом добавочной функции получим:

о,=/2 К, /(яЬ)05. (3)

Учитывая, что значение поправочного коэффициента /2 всегда будет меньше единицы, можно утверждать, что при наличии полимерного композитного материала в полости трещины напряжение будет меньше, чем при его отсутствии. Данный факт наблюдается только в пределах максимального напряжения наполнителя на отрыв.

В четвертой главе проведена оценка долговечности образцов из стали 09Г2С методами «а» и «б» и из стали ВСтЗсп методом «в» с трещиноподобны-ми дефектами, устраненными путем заполнения композитным полимерным материалом. Исследована закономерность роста трещин, отремонтированных методом «холодной сварки» и проведена оценка скорости роста трещины при постоянной относительной деформации образцов вида ОТ и ОТН, подвергнутых усталостным испытаниям. Предложена модель расчета влияния наполнителя на рост трещин при одноосном растяжении-сжатии.

Обработка результатов испытаний образцов по методу «а» при различной относительной деформации г: = 0,42%, 0,6% и 0,78% показала увеличение усталостной долговечности отремонтированных образцов в два раза, по сравнению с образцами, не имеющими в надрезе наполнителя.

Для статистической оценки по методу «б» испытаны двадцать образцов, толщиной 12 мм. Зависимость роста трещины от числа циклов нагружения, при одинаковой относительной деформации, приведена на рисунке 5. Кривая 4 отображает изменение длины трещины в процессе проведения испытаний, выполненных на образцах без надреза при относительной деформации е - 0,78 %. За начало отсчета числа циклов для проведения замеров принята длина выращенной трещины 1 мм. Испытания проводились до полного разрушения.

Кривые 1, 2, 3 соответствуют результатам испытаний на усталостную долговечность с длиной исходной трещины, равной 1, 2, 3 мм, соответственно. Измерение роста трещины выполнялись металлографическим микроскопом

14

ММУ-3. Полости трещин, полученные на образцах, были заполнены составом Ш1ЯЕР -3.

4 3 2 1

1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 Количество циклов N

1, 2, 3 - с ремонтом трещин длиной 1, 2 и 3 мм соответственно;

4 - без ремонта трещин в процессе испытаний.

Рисунок 5 - Зависимость длины трещины от числа циклов деформирования и ремонта в разных стадиях её развития Результаты испытаний на малоцикловую усталость позволили сравнить характеристики циклической трещиностойкости образцов ОТ и ОТН. Зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений представлена на рисунке 6.

90 КЮ

Коэффициент интшсивностшпргахмЛК.МПя ы

Рисунок 6 - Зависимость скорости роста трещины в стали 09Г2С от коэффициента интенсивности напряжений Зависимости скорости роста усталостной трещины от коэффициента интенсивности напряжений, построенные по результатам экспериментов и уравнению Пэриса, имеют расхождение не более 5%. Наклон прямой 3 указывает на тот факт, что в одинаковых условиях нагружения, но при наличии в полости трещины наполнителя, скорость роста снижается не менее чем на 20%.

В связи с этим для определения скорости роста трещины при условии заполнения её полости полимерным композитным материалом в уравнение Пэриса предложено ввести поправочный коэффициент, который представляет собой отношение функций, описывающих приведенные на рисунке 6 зависимости.

к

рем .. >

(4)

где V,, - скорость роста трещины, полученная по уравнению Пэриса;

V — скорость роста трещины при наличии в ее полости наполнителя. В данной работе для стали 09Г2С поправочный коэффициент, позволяющий

определить скорость роста усталостной трещины при заполнении ее полости композитным полимерным материалом типа ЦМРШР-З, принимает следующий вид:

4 • 10"" ■ А-'-"6'' рвм 4. ю-" ■ К2,2601 '

или после преобразования

(6)

где Кп - коэффициент интенсивности напряжений, полученный по уравнению Пэриса.

Результаты усталостных испытаний образцов ОН и ОНН, полученные с целью выявления области эффективного применения композитного полимерного материала, отражены на рисунке 7.

Определение значения относительной деформации в упругопластической области осуществлялось расчетным методом через коэффициент концентрации деформаций по методике, описанной в работах Н.А. Махутова.

Максимальное значение упругопластических деформаций в зоне концентрации напряжений е,м1 определялось следующим образом:

(7)

где к, - коэффициент концентрации деформаций в упругопластической области; е„ - номинальная деформация, %.

Коэффициент концентрации деформаций К, определялся по формуле:

2 /(И-™„)

1Г _ "" _' ® "__

где аа - теоретический коэффициент концентрации (упругое решение);

<х„ - относительное номинальное напряжение;

п - постоянная, принимаемая равной 0,5;

т0 - показатель упрочнения в упругопластической области.

/<г)

(1п 100 )/(о-',/Е' + 0,2 • 10"2) 100°'2

где Ч',, - относител ьное сужение площади поперечного сечения при 20°С, %; з'к - сопротивление разрыву в шейке при температуре 1; Е - модуль продольной упругости, МПа.

В случае, когда номинальные напряжения превышают предел текучести (ап > ат, а > 1), формула (2) принимает следующий вид:

,2/0+и,)

(Ю)

К =

а;

0,45

; о^5

0,2

10000 15000

Числа циклов до рлчрушенш Np, циклов

20000

♦ Без наполнителя » С наполи пелем

Рисунок 7 - Зависимость количества циклов до разрушения от величины максимальной деформации в зоне концентрации напряжений По результатам проведенных экспериментов получены зависимости еж1= 5,2004 М-0-»3' для образцов без наполнителя в полости надреза и еш»»= 1.7357 ТМ"0'1972 в присутствии полимерного композитного материала (рисунка 7), которые показывают, что при максимальной деформации в зоне концентрации напряжений етх11 выше 0,36 % устранение трещинопо-добных дефектов полимерными композитными материалами не дает положительного эффекта. Поэтому данный способ ремонта рекомендуется

18

применять при деформациях ниже 0,36 %, а при более высоких значениях использовать традиционные методы ремонта.

В пятой главе диссертационной работы предложена схема алгоритма ремонтных работ и технология их выполнения.

Рисунок 8 - Алгоритм ремонтных работ 19

Приведены примеры и описаны результаты промышленного испытания предлагаемого метода ремонта с использованием полимерного композитного материала.

Выполненные испытания материалов на статическую и усталостную прочность, а также опыт промышленного использования полимеров позволили установить область и границы их применения на базе состава ЦМЛЕР -3, с учетом максимальной относительной деформации в зоне концентратора напряжений, не превышающей 0,36%, температурного предела применения от -30 до 250°С и других физико-механических характеристик.

Применение полимерных композитных материалов возможно и за пределами указанных границ при соблюдении условий безопасной эксплуатации оборудования и его постоянного мониторинга. Решение о применении принимается лицом, ответственным за безопасную эксплуатацию оборудования для каждого индивидуального случая. К таким случаям можно отнести ремонт трещины и трещиноподобных дефектов на сосудах, работающих без избыточного давления или вакуума, на факельных трубопроводах или трубопроводах горячей воды.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Установлена область рекомендуемого применения способа «холодной сварки» для экстренного ремонта изделий с трещиноподобными дефектами, показывающая, что при значении максимальной упругопластической деформации в зоне концентрации напряжений ниже 0,36 % усталостная долговечность у изделий с заполнением полости дефекта полимерным композитным материалом увеличивается по сравнению с изделиями без наполнителя. При более высоких значениях деформации необходимо использовать традиционные методы ремонта.

2. Установлены зависимости усталостной долговечности образцов из сталей ВСтЗсп и 09Г2С от относительной деформации при различной начальной длине выращенной трещины и получена зависимость скорости роста трещины от интенсивности напряжений при заполнении полости дефекта полимерным

композитным материалом и без заполнения. Установлено, что заполнение полости трещины полимерным композитным материалом, на примере ЦМЯЕР-З, снижает скорость роста усталостной трещины в стали 09Г2С не менее чем на 20%.

3. В целях оценки степени снижения скорости роста усталостной трещины при заполнении ее полости полимерным композитным материалом введен поправочный коэффициент в уравнение Пэриса, который при заполнении полости трещины в стали 09Г2С материалом типа иМЯЕР-З определяется по формуле кре„ = Ю"2 х Кп1,4.

4. Оценено влияние шероховатости поверхности образцов на адгезионную прочность соединения металла с полимерным наполнителем и определен оптимальный метод обработки ремонтируемой поверхности для получения максимальной адгезионной прочности.

5. Для условий одноосного растяжения-сжатия предложена поправочная функция /г, учитывающая глубину трещиноподобного дефекта и физико-механические свойства наполняющей полость среды, которая позволяет определить напряжения в материале после восстановления изделия.

6. Разработан алгоритм ремонтных работ и технология выполнения ремонтов трещиноподобных дефектов оборудования. Метод исправления дефектов апробирован при проведении ремонтов факельного коллектора, резервуара, деталей насосов и компрессоров на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

7. По результатам работы введен в действие стандарт организации СТО 05766575.403952-2007, в котором определены методы исправления дефектов литья чугунных втулок цилиндров поршневых компрессоров при помощи полимерных наполнителей.

Результаты представленных в работе исследований указывают на целесообразность и перспективность применения предлагаемой ремонтной технологии для ремонта поверхностных дефектов технических устройств нефтехимического комплекса. А при улучшении физико-механических свойств полимер-

ных составов существует вероятность замены ими традиционных методов ремонта оборудования с применением сварки.

Основные результаты работы опубликованы:

1 Крутиков И.Ю., Захаров Н.М. Экономичная технология ремонта компрессоров. // Вторая Всероссийская научно-практическая конференция «Технологическое обеспечение качества машин и приборов». Сборник статей. Пенза, 2005.- С .77.

2 Крутиков И.Ю., Захаров Н.М., Евдокимов Г.И. Современные методы ремонта компрессоров. // Электронный журнал «Нефтегазовое дело». 2005 )1 Ир^/ууулу/о аЬи я/ги.

3 Крутиков И.Ю. Анализ причин возникновения дефектов нефтегазохи-мического оборудования. // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. ст. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. - №24. - С. 103-106.

4 Крутиков И.Ю. Применение современных полимерных составов для ремонта оборудования // Справочник. Инженерный журнал. Москва, 2009.-№11.- С.14-17.

5 Крутиков И.Ю., Наумкин А.Е., Исхаков А.З. Долговечность материалов после ремонта трещиноподобных дефектов композитными наполнителями. Проблемы строительного комплекса России: материалы XIV Международной научно-технической конференции при XIV специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение - 2010». - Т.2. -Уфа: УГНТУ, 2010.-С. 117.

6 Крутиков И.Ю., Кузеев И.Р., Наумкин А.Е., Исхаков А.З. Особенности эксплуатации оборудования, подверженного циклическому нагружению, после ремонта дефектов композитными материалами. IV Международная научно-практическая конференция «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского»: Сборник материалов. - Тамбов, 2009. - С.308-309.

Подписано в печать 24.05.10. Бумага офсетная. Формат 60x80 1/16. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. I. Тираж 100. Заказ 111. СКУ «Бункер»

450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. М. Пинского, 6.

ВВЕДЕНИЕ

1 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В НЕФТЕГАЗОВОМ ОБОРУДОВАНИИ, ИХ РАЗВИТИЕ И МЕТОДЫ УСТРАНЕНИЯ

1.1 Классификация дефектов

1.2 Механизмы возникновения трещин при статическом и циклическом нагружении 14 \

1.3 Методы ремонта оборудования с трещинами и восстановления их эксплуатационных свойств

Выводы

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристики сталей и композитных составов, использованных в экспериментах

2.1.1 Выбор материала образцов

2.1.2 Выбор наполнителя

2.2 Методика усталостных испытаний

2.3 Статические испытания

2.3.1 Методика экспериментального определения максимального напряжения в вершине трещиноподобного дефекта

2.3.2 Методика оценки влияния шероховатости на адгезионную прочность соединения

2.4 Методы обработки результатов 44 Выводы

3 ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ РЕМОНТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1 Влияние шероховатости поверхности металла на адгезионную прочность соединения, выполненного методом «холодной сварки»

3.2 Определение напряжений в вершине трещиноподобного дефекта расчетным и экспериментальным методами

3.2.1 Определение напряжений в образце с трещиноподобным дефектом расчетным методом

3.2.2 Определение напряжений в образце с трещиноподобным дефектом экспериментальным методом 63 4.3 Влияние наполнителя на величину напряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Модель расчета

Выводы

4 ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ РЕМОНТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 74 4.1 Испытания на малоцикловую усталость

4.1.1 Статистическая оценка усталостной прочности образцов

4.1.2 Исследование закономерностей роста трещин в ремонтном соединении

4.1.3 Определение области эффективного применения метода холодной сварки»

Выводы

5 РЕМОНТ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРОВ

5.1 Алгоритм ремонтных работ

5.2 Методика выполнения ремонтных работ

5.3 Результаты промышленного испытания метода ремонта при помощи композитного материала

Выводы