Введение к работе
Актуальность темы. Элементы многих конструкций химической, топливно-энергетической промышленностей и ряда других отраслей в процессе эксплуатации подвергаются воздействию нагрузок, температур и агрессивных рабочих сред, при этом во многих случаях агрессивной средой является водородсодержащая среда. В последнее время в связи с переходом на водородное топливо водород также является тем активным компонентом, который влияет на конструктивные элементы, с ним контактирующие. Как показывают экспериментальные исследования, влияние водорода отрицательно сказывается на механических характеристиках материалов конструктивных элементов, приводя к изменению напряженно-деформированного состояния, накоплению повреждений и в результате к сокращению долговечности. В зависимости от температуры и давления, водород может оказывать двоякое воздействие на материал конструкции. При низких и нормальных температурах и давлениях водород вызывает так называемое водородное охрупчивание, т.е. материал, который был пластичным, со временем становится хрупким. Водород при высокой температуре (более 200 градусов) и высоком давлении (порядка 30-40 МПа) вызывает химическое взаимодействие компонентов материала с ним, приводя к обезуглероживанию материала и появлению наведенной неоднородности и изменению напряженно-деформированного состояния конструктивного элемента. Проблема моделирования поведения конструкций в условиях водородной коррозии представляет весьма большой интерес, поскольку ее решение позволит обеспечить безопасность эксплуатации конструкций. Во время наступления предаварийных ситуаций температура обычно распределяется на поверхности конструктивных элементов не равномерно, а локально. В месте появления локальных температурных полей возникает локальная водородная коррозия, воздействие которой может привести к еще более быстрому изменению напряженно-деформированного состояния и сокращению срока службы конструкций.
Научная новизна результатов состоит в следующем:
на основе анализа известных экспериментальных данных и ранее проводившихся исследований по воздействию водорода высоких параметров на материал конструктивных элементов, а также по деформированию и разрушению стальных конструкций в условиях водородной коррозии построена модель деформирования и разрушения толстостенного трубопровода, находящегося под внутренним и двусторонним давлениями водорода в условиях неоднородного нестационарного теплового поля, а также при наличии участков локального прогрева;
разработана методика и проведена идентификация построенной модели на основе экспериментальных данных;
разработан алгоритм исследования модели поведения конструктивных элементов в условиях водородной коррозии с применением метода конечных элементов (МКЭ);
произведено адаптирование программного комплекса ANSYS для моделирования поведения толстостенного трубопровода в условиях неоднородной водородной коррозии и локального поля температур;
проведены численные эксперименты по исследованию напряженно-деформированного состояния и долговечности толстостенного трубопровода в вышеперечисленных условиях и последующий анализ полученных результатов.
Личное участие автора заключается:
в построении модели водородной коррозии при локальном температурном воздействии;
в разработке алгоритма исследования поведения трубчатых элементов конструкций в условиях высокотемпературной неоднородной водородной коррозии и локального поля температур с применением конечно-элементного подхода;
в адаптировании программного комплекса ANSYS для проведения моделирования поведения толстостенного трубопровода в условиях неоднородной водородной коррозии и локального поля температур;
в проведении численных экспериментов и последующем анализе полученных результатов.
Практическая значимость заключается в применимости разработанной модели для определения напряженно-деформированного состояния и поврежденности толстостенного трубопровода, находящегося под воздействием высокотемпературной водородной коррозии и неоднородного и локального полей температур. Причем, возможно изменение геометрических параметров трубопровода, осуществление различных видов локальных прогревов, закон изменения температуры которых со временем также можно изменять. Также возможно задавать различные механические свойства материала, из которого изготовлен трубопровод.
Достоверность результатов обеспечивается сопоставлением их с соответствующими экспериментальными данными, известными из литературных источников, совпадением результатов расчета с расчетными данными, полученными другими авторами, устойчивостью получаемых решений при проведении вычислительного эксперимента.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на конференциях:
VI Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2009);
X Международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании» (Борисоглебск, 2009);
Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2010);
IV Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России» (Волгоград, 2010);
VII Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2010);
Ежегодной научно-практической конференции БИ СГУ им. Н.Г. Чернышевского (Балашов, 2010);
11-й Международной научно-технической конференции: «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2010);
Региональной научно-методической конференции «Актуальные проблемы модернизации математического и естественнонаучного образования» (Балашов, 2011);
11-м Международном форуме «Новые идеи нового века» (Хабаровск, 2011).
В полном объеме работа докладывалась на объединенном заседании кафедр «Прикладная информатика» Балашовского института Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского и на семинаре кафедры «Математическая теория упругости и биомеханика» Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК, 1 монография.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и общих выводов, списка использованной литературы, трех приложений и содержит 33 рисунка, 22 таблицы. Основное содержание диссертации изложено на 165 страницах.
На защиту выносятся:
математическая модель деформирования и разрушения толстостенного трубопровода в условиях воздействия водорода высоких параметров и неоднородного и локального теплового поля;
алгоритм расчета толстостенного трубопровода в условиях водородной коррозии с применением метода конечных элементов;
результаты расчета напряженно-деформированного состояния и разрушения толстостенного трубопровода в условиях нестационарных неоднородных и локальных тепловых полей и воздействия водорода высоких параметров.
