Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка прочности и ресурса сосудов с локальными деформационными дефектами 15
2. Статистический анализ нагруженности и дефектности оборудования нефтегазохимических предприятий 32
2.1. Анализ изменения внутреннего давления и температуры
аппаратов газоперерабатывающих предприятий 32
2.1.1. Условия изменения давления в горизонтальной емкости 35
2.1.2. Условия изменения давления в колонне 40
2.1.3. Условия изменения давления в сепараторе 47
2.1.4. Условия изменения рабочей температуры в шаровой емкости 50
2.1.5. Условия изменения рабочей температуры в колонне 53
2.2. Анализ дефектности оборудования газоперерабатывающих предприятий 55
3. Изменение механических свойств материала оборудования газоперерабатывающих предприятий 61
3.1. Оценка механических свойств разрушившегося трубопровода на Нижневартовском ГПЗ 66
3.2. Оценка механических свойств разрушившегося трубопровода на Когалымском ГПП 71
3.3. Оценка механических свойств металла сепарационной емкости ГЗУ «Спутник» 78
3.4. Анализ данных замера твердости металла газоперерабатывающего оборудования 83
3.5. Изменение механических свойств металла в зонах деформационных дефектов 89
4 Исследование статической и циклической прочности сосуда с учетом локального деформационного дефекта 92
4.1. Экспериментальное моделирование статической прочности 92
4.2. Численное моделирование статической прочности 94
4.2.1. Прогиб плоского широкого образца 94
4.2.2. Напряженно-деформированное состояние цилиндрической оболочки в зоне деформационного дефекта 96
4.2.3. Напряженно-деформированное состояние цилиндрической оболочки в зоне сопряжения со штуцером 98
4.2.4. Исследование НДС в зоне деформационных дефектов методом хрупких тензочувствительных покрытий 100
4.2.5. Исследование НДС в зоне вмятины на цилиндрических образцах 100
4.3. Экспериментальное моделирование циклической прочности 103
4.4. Методика расчета прочности и долговечности сосуда с вмятиной 107
4.4.1. Расчет статической прочности сосуда по допускаемым напряжениям 108
4.4.2. Расчет статической прочности сосуда по местным напряжениям и деформациям 110
4.4.3. Расчет циклической прочности сосуда 121
5. Новые предложения по оценке напряженно-деформированного состояния сосудов с деформационными дефектами 126
Заключение 142
Библиографический список использованной литературы 144
Приложение А. Патенты на изобретения и полезные модели
- Оценка прочности и ресурса сосудов с локальными деформационными дефектами
- Оценка механических свойств разрушившегося трубопровода на Когалымском ГПП
- Исследование НДС в зоне вмятины на цилиндрических образцах
- Новые предложения по оценке напряженно-деформированного состояния сосудов с деформационными дефектами
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Одним из основных условий стабильного экономического развития России является обеспечение устойчивого и безопасного функционирования предприятий нефтегазохимического комплекса, в том числе заводов по переработке попутного нефтяного газа.
В решении совместного заседания Совета безопасности РФ и президиума Государственного совета РФ от 13.11.2003г. указано на необходимость поддержки безопасности и обеспечения защищенности газоперерабатывающих предприятий, являющихся потенциально опасными и критически важными для национальной безопасности объектами.
Технологический процесс газопереработки преимущественно осуществляется в одностенных сосудах, трубопроводах и характеризуется широким диапазоном изменения эксплуатационных режимов температур (от криогенной до >1000С), давлений (до 10 МПа).
Статистические данные по обобщенным причинам аварий на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности за 1980-2005гг. свидетельствуют о том, что доля аварий, произошедших по причине неудовлетворительного состояния технических устройств, составляет 27%. Аварии на данных предприятиях, сопровождающиеся взрывами и пожарами, как правило, сопряжены со значительным экономическим, экологическим ущербом, а также риском для здоровья и жизни людей. Масштабы производственных аварий по размерам материального ущерба достигают уровня местных и территориальных чрезвычайных ситуаций.
Обеспечение условий безопасности жизнедеятельности персонала, функционирования опасных производственных объектов и территорий является актуальной проблемой. В настоящее время для газоперерабатывающих предприятий Тюменской области, где более половины парка технологических аппаратов отработали свой нормативный срок службы, эта проблема становится еще более актуальной.
Вероятность возникновения аварий на оборудовании, отработавшем нормативный срок службы, увеличивается вследствие ряда факторов: изменения механических свойств материала; наличия неучтенных проектом изменений геометрических форм, создающих концентрацию напряжений; цикличности изменения эксплуатационных нагрузок; коррозионного износа, технологической и эксплуатационной повреждаемости.
Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию влияния единичных факторов на прочность и безопасность эксплуатации оборудования за пределами нормативного срока службы, ряд вопросов, остается малоизученным, в частности: характер изменения механических свойств метал-
РОС. НАЦИОНАЛЬ' "> | БИБЛИОТЕКА-
ла газоперерабатывающего оборудования вследствие климатического и эксплуатационного воздействия, особенно, в зоне деформационного дефекта; влияние циклического характера изменения технологических режимов на конструкционную прочность и безопасность сосудов и аппаратов с дефектами формы.
Эксплуатация технического устройства за пределами нормативного срока службы разрешается при условии получения положительных результатов оценки его текущего технического состояния и определения возможности продления безопасной эксплуатации на основе расчета остаточного ресурса.
Необходимо отметить, что в настоящее время разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации сложных технических систем опасных производственных объектов является приоритетным направлением исследований в области промышленной безопасности.
Целью настоящей работы является разработка методов и критериев оценки безопасного остаточного ресурса газоперерабатывающего оборудования, отработавшего нормативный срок, с учетом накопленного комплекса особенностей конструкции, материала и условий эксплуатации.
Задачи исследования
-
Оценить влияние фактической нагруженности на ресурс безопасной эксплуатации оборудования с учетом динамики технологических параметров, определить эквивалентный режим изменения эксплуатационной нагрузки и установить закономерность распределения ее величины, используя ретроспективные данные изменения технологических параметров.
-
Оценить влияние деформационных дефектов, как концентраторов напряжений, на безопасную эксплуатацию сосудов давления.
-
Выявить закономерности изменения основных прочностных и пластических характеристик материала газоперерабатывающего оборудования, отработавшего нормативный срок службы, используя методы разрушающего и не-разрушающего контроля.
-
Разработать критерии и методы оценки прочности и остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов с учетом комплекса особенностей, накопленных в процессе нормативного срока службы.
Научная новизна
Установлены закономерности распределения воздействий давления и температуры на основе результатов статистического анализа ретроспективных данных изменения эксплуатационных режимов сосудов и аппаратов газоперерабатывающих предприятий.
Получены зависимости изменения механических свойств металла технологических аппаратов и трубопроводов за период нормативного срока эксплуатации, а так же приведшие к авариям и разрушению.
Определены зависимости напряженно-деформированного состояния в зоне деформационного дефекта от его геометрических параметров методами численного моделирования, лабораторными и натурными исследованиями.
Разработаны предложения по совершенствованию методики оценки безопасного остаточного ресурса сосудов и аппаратов, отработавших нормативный срок службы по фактическим параметрам нагруженности, состояния и механических свойств материала.
Практическая ценность работы
Разработанные новые технические устройства позволяют проводить компьютерное моделирование дефекта с максимально приближенными к оригиналу формой и геометрическими размерами, что повышает точность оценки напряженно-деформированного состояния в зоне дефекта и, следовательно, определения прочности и безопасного ресурса самого объекта.
Использование полученных законов распределения эксплуатационных параметров позволяет оценивать реальную повреждаемость сосудов и аппаратов как на момент оценки их технического состояния, так и производить прогноз повреждаемости и срока безопасной эксплуатации за пределами нормативного срока.
Полученные сведения о характере изменения механических свойств металла газоперерабатывающего оборудования с течением времени под воздействием рабочей среды и эксплуатационных факторов могут быть использованы проектными, эксплуатирующими и экспертными организациями при расчете безопасного ресурса эксплуатации оборудования.
Разработаны расчетно-экспериментальные методы оценки характеристик, используемых для определения конструкционной прочности и безопасного ресурса оборудования, преимущественно отработавшего нормативный срок службы и характеризующегося наличием дефектов формы, изменением механических свойств и других особенностей.
Внедрение результатов исследований осуществлено в ООО «Тобольск-Нефтехим» и ОАО «Научно-технологический Центр нефтегазопромышленни-ков» при оценках остаточного ресурса оборудования газоперерабатывающих и нефтехимических предприятий, а также в учебном процессе для студентов специальности «Безопасность технологических процессов и производств» Тюменского государственного нефтегазового университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Обоснованность и достоверность результатов работы
Обоснованность результатов работы подтверждается корректным использованием классических положений теории прочности, упругости, механики деформирования, а также статистического и конечно-элементного анализа с помощью специальных апробированных компьютерных программ.
Достоверность основных выводов подтверждается удовлетворительной согласованностью полученных результатов с экспериментальными данными и известными положениями и результатами научных исследований.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, сборе и обработке статистических данных нагруженности и дефектности газоперерабатывающего оборудования, оценке изменения механических свойств металла газоперерабатывающего оборудования, разработке методики расчета прочности и остаточного ресурса сосудов с деформационным повреждением, разработке новых устройств определения формы и размеров вмятины, имитации циклического нагружения оболочечных конструкций.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы представлены на 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1999г.); 7-й Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003г.); 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003 г.); Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2003г.); 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассей-на» (Тюмень, 2004г.); 4-й региональной научно-практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону» (Тюмень, 2005г.).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 17 работ (2 статьи, 11 тезисов, 4 патента).
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, библиографического списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 158 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 72 рисунка и 18 таблиц. Список литературы состоит из 109 наименований.
Оценка прочности и ресурса сосудов с локальными деформационными дефектами
В процессе изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации сосудов, работающих под давлением, возможно их местное деформирование с образованием локальных несовершенств формы (вмятин), размеры которых превышают установленные нормы.
Актуальность обеспечения надежной безопасной эксплуатации оборудования газоперерабатывающих предприятий особенно возросла в последнее время в связи с исчерпанием оборудования нормативного срока службы.
На объектах газопереработки хранение и переработка нефтяного газа, нестабильного конденсата, широких фракций легких углеводородов (ШФЛУ) и сжиженных газов (пропана, бутана и т.д.) осуществляется главным образом в одностенных горизонтальных (вертикальных) цилиндрических или сферических сосудах и аппаратах.
Среди наиболее распространенных видов аварий - взрывы, пожары, выбросы опасных веществ, разрушение технических устройств, зданий и сооружений.
Как показывает практика, среди возможных вариантов возникновения и развития аварии на таких технических устройствах наибольший потенциал поражения имеют сценарии типа BLEVE - разрыв сосуда вследствие мгновенного вскипания сжиженного газа с образованием аэрозольного облака расширяющихся паров, которое с вероятностью 0,8-4-0,9 сразу же воспламеняется и с высокой интенсивностью сгорает в переобогащенном режиме при мощном излучении тепла в окружающее пространство [15].
Аварии на данных предприятиях могут приводить к человеческими жертвам, отравлениям, загрязнениям окружающей среды, значительным экономическим потерям.
В реакционной колонне производства аммиака с внутренним диаметром 1200 мм, высотой 18 м и рабочим давлением 32 МПа потенциальная энергия сжатой рабочей среды составляет примерно 87 ГДж. При разрыве подобного сосуда на Северодонецком химкомбинате в 1957г. полностью был разрушен железобетонный блок, а съемные железобетонные щиты весом 5 т были отброшены на расстояние до 140 м. Потенциальная энергия в сосуде диаметром 2800 мм, высотой 32 м, с давлением 17 МПа уже составляет 290 ГДж, то есть в три с лишним раза больше, чем энергия разрушения на Северодонецком химкомбинате.
Создание каких-либо защитных устройств при такой величине энергии от взрывов практически невозможно, а риск возникновения аварийной ситуации на оборудовании находящемся в эксплуатации 20 и более лет существенен.
Для предотвращения тяжелых последствий от разрушения аппаратов и сосудов, работающих под давлением, отработавших нормативный срок службы и обеспечения их дальнейшей безопасной эксплуатации необходимо глубокое изучение их несущей способности с учетом имеющихся на момент обследования отступлений от нормативной документации из-за изменения физико-механических свойств материала сосуда, вследствие действия рабочей среды и эксплуатационных параметров; концентрации напряжений ввиду наличия технологических дефектов сварки; концентрации напряжений, возникающей в результате деформационных и коррозионных повреждений стенок сосуда; концентрации напряжений, связанной с конструктивным оформлением сопряжений элементов сосуда; цикличности нагружения внутренним давлением и т.п.
Результаты фундаментальных исследований прочности материала конструкций в упругой и упругопластической областях при статическом и циклическом изменении нагрузки опубликованы в научных трудах Махутова Н.А., Гу-сенкова А.П., Карзова Г.П., Когаева В.П., Серенсена СВ., Работнова Ю.Н., Шнейдеровича P.M., Москвичева В.В. и др. [28-31, 41, 45, 48, 49, 52, 55, 82, 88-90, 106].
Вопросами определения прочности сосудов с вмятинами посвящены работы Лихмана В.В., Копысицкой Л.Н., Муратова В.М., Буренина А., Зайнулли-на Р.Х., Иванова Г.П., Мухина В.Н., Перелыгина О.А., Пермякова В.Н. [32, 38, 39,61,62,63,103].
Оценка влияния сероводородсодержащей рабочей среды газоперерабатывающей предприятий рассмотрены в работах [10, 11, 21, 33, 40, 60]. Оценка влияния технологических дефектов сварных швов на прочность сосудов, работающих под давлением подробно описана в ряде работ [12, 26, 28, 75, 80]. Оценка влияния коррозионных повреждений стенок сосуда на несущую способность конструкции отражена в работах [24, 26, 75, 85]. Анализ прочности, несущей способности сосудов с учетом концентрации напряжений, возникающих в результате ненормированного сопряжения элементов сосуда рассмотрен в работах [13, 28, 32, 38, 39].
В работе [38] представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния цилиндрических и сферических резервуаров с вмятинами при действии внутреннего давления. Начиная со второго цикла при повторно-статическом нагружении внутренним давлением оболочки с вмятиной, в зоне дефекта устанавливается постоянный размах деформаций. Коэффициент концентрации деформаций в установившемся режиме циклического нагружения К с ростом нагрузки несколько уменьшается, что объясняется уменьшением глубины вмятины. Результаты проведенных натурных исследований позволяют при оценке циклической прочности сосудов с вмятинами ограничиться расчетом в упругой области, но при этом учитывать необратимое изменение глубины вмятины при исходном нагружении.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) сосудов с вмятинами, выполненные методом конечных элементов показали следующее:
- увеличение относительной глубины вмятины приводит к росту максимальных напряжений атах, зона которых смещается от центра вмятины к ее границе, а в вершине вмятины при больших значениях hB/s происходит разгрузка;
- увеличение радиуса вмятины гв при постоянной относительной глубине hB/s приводит к росту коэффициента концентрации напряжений аа ,
- увеличение радиуса вмятины гв приводит к увеличению hB/s, при котором максимальные напряжения сттах действуют в вершине вмятины, а не на ее границе.
Установлено, что определяющее влияние на концентрацию напряжений в зоне вмятины оказывает относительная глубина hB/s и приведенный радиус гпр = Гв/ / (где s - толщина стенки, R - радиус сосуда).
Оценка механических свойств разрушившегося трубопровода на Когалымском ГПП
Проведена оценка механических свойств металла разрушившегося напорного трубопровода, выполненного из Чехословацкой стали (аналог российской стали СтЗГсп ГОСТ 380-88) диаметром 530 мм толщиной стенки 8 мм наружной установки Когалымского газоперерабатывающего предприятия.
Трубопровод до разрушения находился в эксплуатации около 8 лет при рабочем давлении 2,4 МПа (расчетное 3,9 МПа), рабочей температуре от плюс 25 до плюс 35С.
Данные анализа химического состава материала трубы (вне зоны разрушения), проведенного аналитическим методом по стружке представлены в таблице 3.3 (строка 1). В таблице 3.3 также представлены сведения о химическом составе из заводских сертификатов на трубу (строка 2).
Из таблицы видно, что химический состав за время эксплуатации не претерпел значительных изменений и соответствует заводскому аттестату.
Проведено измерение твердости основного металла трубы, металла сварного шва и околошовной зоны.
Твердость стали измеряли методом Виккерса (HV) в соответствии с требованиями ГОСТ 2999-75. Нагружение проводили алмазной пирамидой при нагрузке 10 кгс и выдержке 10 с.
Средние значения твердости основного металла бесшовной трубы составляют 157...168HV. По результатам дюрометрического анализа, указанные значения твердости соответствует временному сопротивлению 51,8...55,4 кг/мм . Твердость материала трубы в зоне термического влияния от кольцевого сварного шва составляет 169... 179HV, что соответствует значениям временного сопротивления 55,7...59,1 кг/мм , что на 4...5 кг/мм выше значений твердости основного металла. Твердость сварного шва составила 190...194HV (62,7...64 кг/мм2).
Повышенное значение твердости металла сварного шва и зоны термического влияния может свидетельствовать о хорошей свариваемости основного металла труб, а также о возможном отсутствии термической обработки сварного шва после окончания сварочных работ.
Проведено испытание на растяжение шести образцов, вырезанных из кольцевого сварного шва расположенного вне зоны разрушения. Отбор и подготовка образцов производилась в соответствии с ГОСТ 6996-66. Вырезку образцов производили на фрезерном станке, исключая возможность изменения свойств металл в результате нагрева или наклепа.
В результате испытаний были определены предел текучести, предел прочности и относительное удлинение материала. Проведено сравнение механических свойств материала с требованиями для труб по ГОСТ 20295-85 (класс прочности К50 и К52). Сведения о фактических свойствах и требованиях по ГОСТ представлены в таблице 3.4.
Испытаниями образцов установлено, что по прочностным и пластическим свойствам кольцевой сварной шов приварки труб соответствует установленным нормам ГОСТ 20295-85 для данного типа труб.
Согласно ГОСТ 20295-85 для труб класса прочности К50 диаметром 530-820 мм предъявляются следующие требования: для нетермоупроченной стали KCU"40 3 кг-м/см2, для термоупроченной стали KCU"40 4 кг-м/см2.
Испытания на ударный изгиб проводились на маятниковом копре МК-30 с энергией удара Ктах=29,8 кг-м согласно ГОСТ 9454-78. Отбор образцов для испытания на ударный изгиб проводился в соответствии с ГОСТ 20295-85. Образцы вырезались в поперечном направлении относительно оси трубы. Кривизна устранялась статической правкой на гидравлическом прессе. Надрезы (концентраторы) выполнены перпендикулярно поверхностям трубы. Для обеспечения отрицательных температур использовался этиловый спирт, охлаждаемый в сосуде Дьюара жидким азотом. Температура испытаний на ударный изгиб составляла минус 60С.
Результаты испытаний на ударный изгиб образцов, вырезанных из трубопровода, приведены в таблице 3.5.
Среднее значение ударной вязкости при температуре испытания минус 60С для образцов с U-образным концентратором составило 4,41...5,67 кг-м/см (43,2...55,6 Дж/см ), что ниже значений ударной вязкости указанных в сертификате на трубы (KCU"40 73 Дж/см2), однако превышает нижний допускаемый предел по ГОСТ 20295-85 на трубы (KCU"40 29,4 Дж/см2).
Среднее значение ударной вязкости при температуре испытания минус 5С для образцов с V-образным концентратором составило 3,97...4,76 кг-м/см (38,9...46,6 Дж/см ), что ниже значений ударной вязкости указанных в серти-фикате на трубы (KCV 53 Дж/см ), однако превышает нижний допускаемый предел по ГОСТ 20295-85 на трубы (KCV"5 29,4 Дж/см2).
Средние значения ударной вязкости, полученные при температурах минус 60С и минус 5С ниже значений указанных изготовителем в сертификатах на трубы.
Микроструктурному исследованию подверглись темплеты, вырезанные из основного металла зоны разрушения (А), основного металла вне зоны раз ф рушения (Б) и металла кольцевого сварного соединения (В).
Микрошлифы для выявления структуры были протравлены 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте в течение 40-50 секунд.
Из темплета «А» было вырезано 2 образца для исследования структуры в продольном и поперечном сечениях относительно оси трубы.
Темплет «А» имеет крупнозернистую ферритно-перлитную микроструктуру, кристаллы феррита имеют преимущественно игольчатое строение. Име-ются участки полиэдрических зерен феррита. Изучение структуры металла позволяет сделать вывод о том, что металл был подвергнут нагреву выше температуры Ас3 ( 950С), однако температура не была чрезмерно высокой, так как в структуре встречаются признаки ферритной полосчатости, не успевшей исчезнуть в результате перекристаллизации при нагреве.
Исследование НДС в зоне вмятины на цилиндрических образцах
С целью определения полей напряжений и деформаций в зоне вмятины проводилось исследование НДС плоских образцов с помощью хрупких тензочувствительных покрытий. Плоские образцы с геометрическими размерами 200x40, изготавливались из стали Ст20 толщиной 2 мм. С помощью сферического индентора при стандартной скорости деформирования воспроизводили вмятину глубиной 1,5...2,0s (s - толщина образца). После нанесения хрупкого канифольного покрытия образцы подвергались изгибу и растяжению.
Траектория образовавшихся в покрытии трещин сформирована таким образом, что наибольшая концентрация напряжений находится на расстоянии 2-3 диаметров вмятины от границы дефекта, а в зоне самой вмятины действуют напряжения сжатия, причем их значения превышают (по абсолютной величине) значения прикладываемых упругих растягивающих напряжений, поэтому трещины в покрытии на поверхности вмятины отсутствуют.
Напряженно-деформированное состояние в зоне вмятины моделировалось на цилиндрической оболочке диаметром D=820 мм, длиной L=500 мм, толщиной стенки s=10 мм. Глубина вмятины составляла (1,5-J-2,0)S, максимальный размер в окружном направлении (диаметр вмятины в плане) - 140 мм.
Материал цилиндрической оболочки - низколегированная малоуглеродистая сталь с продольным модулем упругости Е=2-105 МПа, коэффициентом Пуассона д=0,3, пределом текучести ат=345 МПа, пределом прочности ств=490 МПа, относительным удлинением 5=21%. Задача решалась для изотропного твердого тела в упругой и упругопластической области с линейным упрочнени ем.
Закрепление оболочки производилось по торцам, давление величиной Р=7,0 МПа прикладывалось к внутренней поверхности оболочки.
На рис. 4.7 представлены результаты моделирования НДС в зоне вмятины на цилиндрической оболочке под действием внутреннего давления.
Распределение перемещений (а) и напряжений (б) в цилиндрическом образце с вмятиной по действием внутреннего давления Представленные на рис. 4.7 распределения, позволяют оценить картину и уровень, прежде всего, окружных напряжений в зоне дефекта после перерас пределения напряжений, возникших в конструкции при образовании вмятины.
Для определения картины продольных напряжений в зоне вмятины на цилиндрической оболочке под действием внутреннего давления использовались плоские образцы с вмятиной. Геометрические размеры образца 40x50 мм, толщина 2 мм, глубина вмятины 4 мм, максимальный размер вмятины в поперечном направлении (диаметр вмятины) - 18 мм. Закрепление образца производилось по всем торцам (4.8 а, б) и по криволинейным торцам (4.8 в, г).
Следует отметить, что при втором случае закрепления (рис. 4.9в) вмятина выполняет роль ребра жесткости, поэтому наибольшие перемещения получают свободные от закрепления торцы пластины.
Новые предложения по оценке напряженно-деформированного состояния сосудов с деформационными дефектами
Согласно действующей нормативной документации по оценке технического состояния сосудов, работающих под давлением при обнаружении локальных деформационных дефектов типа «вмятина» главным образом учитывается глубина вмятины. Превышение глубины вмятины дает основание для прекращения эксплуатации данного сосуда, либо для проведения дополнительных прочностных расчетов. Данными для проведения прочностных расчетов обычно служат результаты замера геометрических параметров (длина, ширина, глубина) полученных с помощью металлической линейки, реже с помощью стандартных приспособлений, предназначенных для измерения линейных размеров в машиностроении.
Однако М.А. Аксельродом в статье [3] показано, что оценивая вмятины по взаимно перпендикулярных направлениях: длина L, ширина В, глубина Н, можно получить одинаковые геометрические параметры для вмятин разной формы (рис. 5.1.), а значит, различного напряженного состояния, а следовательно и ресурса.
Поэтому необходимо искать другие способы оценки элементов с нерасчетной формой сечения на локальных участках.
В ходе решения выше обозначенных задач разработано устройство для определения формы и размеров деформационного дефекта на обечайке сосуда (пат. №37203), позволяющее с высокой степенью точности определять как максимальные геометрические размеры вмятины, так и моделировать и переносить на бумажный носитель непосредственно форму самого дефекта, что позволяет более объективно оценить напряженно-деформированное состояние в зоне дефекта и определить работоспособность конструкции с деформационным дефектом.
Устройство для определения формы и размеров деформационного дефекта на обечайке сосуда, представленное на рис. 5.2, содержит основание, выполненное в виде замкнутой четырехугольной рамы с продольными 1, 2 и поперечными 3, 4 сторонами, имеющими шкалы, предназначенные для определения шага перестановки измерительного моста 9, и служащими направляющими для установочно подвижных кареток. Первая пара установочно подвижных кареток 5 и 6 размещена на поперечных сторонах прямоугольной рамы, вторая пара установочно подвижных кареток размещена на продольных сторонах. Измерительный мост 9 прикреплен своими концами к установочно подвижным кареткам и несет на себе направляющую 10, на которой подвижно смонтирована измерительная каретка 11с измерительным штоком 12 и средство регистрации перемещений измерительного штока, выполненное в виде двух барабанов 13 и 14 с перематываемым носителем 15 записи и записывающего элемента 16, смонтированного на измерительном штоке 12. Основание устройства снабжено четырьмя стержнями 17, выполняющими функцию опорных ножек. Каждый из стержней 17 имеет шкалу по всей длине и опорные ролики 18 на нижнем конце, а также возможность свободного перемещения в осевом направлении и фиксации.
Для определения формы и размеров деформационного дефекта на обечайке сосуда основание устройства устанавливают над деформационным дефектом на некоторой высоте, стержни 17 под действием собственного веса опускают до взаимодействия с сосудом 19 и фиксируют на равных величинах по показаниям шкал относительно основания. Длина стороны рамы устройства, расположенной поперек оси обечайки 19, должна быть не более диаметра обе чайки сосуда. В рабочем положении устройства стержни 17, выполняющие функцию опорных ножек, располагаются попарно на двух образующих обечайки 19 так, что обнаруженный деформационный дефект находится между этими образующими. Измерительный мост 9 устанавливают на установочно подвижных каретках 5 и 6, размещенных на поперечных сторонах 3 и 4 замкнутой рамы основания. Измерительный шток 12 приводят во взаимодействие с поверхностью деформационного дефекта, после чего перемещают измерительную каретку 11 вдоль направляющей 10. При этом записывающий элемент 16 вычерчивает на носителе 15 записи профиль контролируемого деформационного дефекта. После записи первого продольного профиля установочно подвижные каретки 5 и 6 перемещают по сторонам 3 и 4 замкнутой прямоугольной рамы по показанию шкалы на заданную величину, после чего регистрируют следующий профиль. После регистрации всех продольных профилей с некоторым шагом (например, 1 мм) переставляют измерительный мост, закрепляя его на установочно подвижных каретках 7 и 8, размещенных на продольных сторонах 1 и 2 замкнутой прямоугольной рамы. Поперечные профили деформационного дефекта регистрируют так же, как и продольные, что позволяет с одной установки основания получить полную информацию о форме и размерах обнаруженного деформационного дефекта.
Таким образом, применение этого устройства позволит повысить точность определения формы и размеров деформационного дефекта на обечайке сосуда, оценить его несущую способность, определить возможность безопасной эксплуатации.
Разработано устройство для определения радиуса и центрального угла полусферической вмятины на цилиндрической оболочке (пат. №39397). Значения радиуса и центрального угла необходимы для определения максимальных напряжений во вмятине под действием внутреннего давления.
Устройство для определения радиуса и центрального угла полусферической вмятины на цилиндрической оболочке, представленное на рис. 5.3, содержит основание, выполненное в виде замкнутой прямоугольной рамы с продольными 1, 2 и поперечными 3, 4 сторонами, имеющими шкалы, предназначенные для определения шага перестановки горизонтальной траверсы 5 и служащими направляющими для установочно-подвижных кареток 6 и 7, причем установочно-подвижные каретки 6 и 7 выполнены съемными, с возможностью их установки попарно на продольных и поперечных сторонах прямоугольной рамы. Горизонтальная траверса 5, имеющая шкалу по всей длине установлена в пазах установочно-подвижных кареток 6, 7 с возможностью свободного перемещения вдоль своей продольной оси и фиксации, является направляющей для установленных на ней измерительных кареток 8, 9, 10 с измерительными штоками 11, 12, 13, причем один измерительный шток 12 является центральным, а два других 11, 13 - крайними. Измерительные штоки 11, 12, 13, которые установлены в отверстиях измерительных кареток 8, 9, 10 с возможностью продольного перемещения и фиксации, выполнены в виде равных по длине стержней со шкалой по всей длине, а плоскость, проходящая через оси измерительных штоков перпендикулярна плоскостям, проходящих через поперечные и продольные стороны рамы
