Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ информации о канавочнои коррозии и способов защиты от неё 11
1.1. Проблема канавочной коррозии 10
1.2. Способы повышения надежности и борьбы с внутренней коррозией нефтепроводов
1.2.1. Технологические методы борьбы с внутренней коррозией трубопроводов
1.2.2. Применение ингибиторов для защиты нефтепроводов от внутренней коррозии
1.2.3. Противокоррозионная защита трубопроводов полимерными покрытиями
1.2.4. Применение магнитных устройств для снижения коррозии нефтепромысловых трубопроводов
1.2.5. Использование многослойных неметаллических и армированных труб для предотвращения коррозии трубопроводов
1.2.6. Стали нового поколения 21
1.2.7. Профилактический поворот 23
1.2.8. Виды канавочных дефектов 30
1.3. Метод конечных элементов 34
1.3.1. Основные понятия и положения метода конечных элементов 37
1.3.2. Области применения метода конечных элементов 40
1.4. Постановка задач исследования 43
2. Расчет напряженно-деформированного состояния оболочек с одним канавочньгм дефектом
2.1. Вычислительный эксперимент на бездефектной модели оболочки 44
2.1.1. Создание геометрии дефектов 45
2.1.2. Формирование конечно-элементной модели. Выбор конечных элементов 47
2.1.3. Построение сетки конечных элементов 52
2.1.4. Граничные условия и приложение внутреннего давления 55
2.1.5. Анализ и точность результатов 56
2.2. Вычислительный эксперимент на модели оболочки с одним канавочным дефектом 60 Выводы по второй главе 76
3. Расчет напряженно-деформированного состояния оболочек, неоднократно подверженных канавочной коррозии 81
Выводы по третьей главе 96
4. Конечно-элементная модель оболочек, подверженных "канавочному износу" и практика реального эксперимента
4.1. Вычислительный эксперимент на модели оболочки со шпоночным канавочным дефектом 97
4.2. Лабораторный эксперимент на оболочке со шпоночным канавочным дефектом 101
Выводы по четвертой главе 105
Основные результаты и выводы 106
Список использованных источников 108
Приложения
- Применение ингибиторов для защиты нефтепроводов от внутренней коррозии
- Основные понятия и положения метода конечных элементов
- Формирование конечно-элементной модели. Выбор конечных элементов
- Вычислительный эксперимент на модели оболочки со шпоночным канавочным дефектом
Введение к работе
Россия - одна из крупнейших нефтедобывающих держав, которая обладает уникальной сетью нефтепроводов различного назначения.
Первый нефтепровод в России был построен более 125 лет назад, Идея великого русского ученого Д.И. Менделеева Д.И. «Проложить трубы и по ним вести сырую нефть до морских судов или до заводов». оказалась реализованной благодаря деятельности выдающегося русского инженера-изобретателя В.Г. Шухова (1853-1939).
В наши дни только компания «Транснефть» обладает трубопроводами протяженностью 48,6 тыс. км, которые расположены в 53 регионах Российской Федерации — от Восточной Сибири до западных границ. По ее магистралям проходит более 95% всей нефти, добываемой в России.
В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» №116-ФЗ от 21.07.1997 г. нефтепроводы относятся к категории опасных производственных объектов и, следовательно, требуют особого внимания при эксплуатации.
Работоспособность трубопроводных систем характеризуется их несущей способностью в течение длительной эксплуатации и определяется техническим состоянием трубопроводов. Техническое состояние зависит от многих факторов, среди которых важнейшими являются состояние труб и их изоляционные покрытия. Состояние труб определяется количеством и параметрами имеющихся в них дефектов, которые образуются при изготовлении, строительстве и эксплуатации трубопроводов.
Существует ряд причин, по которым происходит отказ промысловых нефтепроводов. Наиболее распространенной (91%) является внутренняя коррозия, 71% из которой составляет канавочная коррозия. Местом
зарождения и развития канавки является нижняя образующая трубопровода. В зависимости от продукта транспортирования, режимов перекачки и многих других факторов образуются канавки различных видов.
Скорость канавочного разрушения иногда достигает 2...3 мм/год, приводя тем самым к частым порывам трубопроводов, снижая гарантийный срок их эксплуатации. Механизм данного вида разрушения является многофакторным.
В настоящее время существует ряд способов борьбы с канавочной коррозией, такие как: технологические методы, применение ингибиторов коррозии, защита полимерными покрытиями, применение магнитных устройств, использование неметаллических, многослойных и армированных труб, являющихся недостаточно эффективными по своим свойствам.
Особое место в ряду традиционных занимает новый способ продления срока службы нефтепроводов - ремонт участка трубопровода с канавочным дефектом методом профилактического поворота трубопровода вдоль продольной оси на определенный угол для вывода дефекта из зоны коррозионного разрушения. Профилактический поворот является принципиально новым методом борьбы с "канавочным износом'1. Однако данный метод не исключает появления по нижней образующей новой "канавки". В связи с чем, вызывают интерес распределение напряжений в области канавки до, и после выполнения профилактического поворота под действием внутреннего давления, влияние геометрических размеров зарождающихся дефектов и их взаимного расположения в оболочке на напряженно-деформированное состояние в области канавок различных видов под действием внутреннего давления. Решение такого комплекса вопросов аналитическими методами представляется затруднительным, как и постановка такого количества лабораторных экспериментов.
Внедрение автоматизированных расчетов на основе моделирования с использованием мощных систем автоматизированного проектирования CAD (Computer Aided Design) и инженерного анализа САЕ (Computer Aided Engineering), реализующих метод конечных элементов (МКЭ), а также высокий уровень визуализации получаемых результатов позволяют решать подобные комплексные задачи без привлечения значительных затрат и большого числа металлоемких экспериментов.
Необходимость анализа напряженно-деформированного состояния и безопасной эксплуатации трубопроводов, ранжирования отдельных участков по срокам их ремонта или замены требует новых подходов и комплексных решений, стимулирует совершенствование существующих методик, позволяющих оценить предельные состояния и надежность трубопроводов.
На основании вышеизложенного, исследование напряженно-деформированного состояния в оболочках с канавочньтми дефектами под действием внутреннего давления методом конечных элементов является актуальной задачей, требующей решения.
Целью данной работы является - "Оценка безопасной эксплуатации оболочек с "канавочным износом" на основе анализа напряженно-деформированного состояния в области канавочного дефекта под действием внутреннего давления методом конечных элементов".
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Проведение вычислительного эксперимента для определения
напряженно-деформированного состояния (НДС) оболочки без дефекта
под действием внутреннего давления методом конечных элементов (МКЭ).
Сравнение полученных результатов с использованием МКЭ с
аналитическим решением.
2. Расчет НДС методом КЭ для оболочек с одиночным канавочным
дефектом различных видов: "овальной", "шпоночной" и "серповидной" с
различными геометрическими характеристиками. Определение
7.
максимальных эквивалентных напряжений (стэквмакс) в области канаво чных дефектов.
Определение НДС в области дефектов методом КЭ для оболочек, неоднократно подверженных "канавочному износу". Исследование зависимости эквивалентных напряжений в области дефектов от их взаимного расположения в оболочке. Анализ распределения эквивалентных напряжений в оболочке с двумя дефектами - старым и постепенно развивающимся новым.
Проведение лабораторного эксперимента для проверки расчетов, выполненных с использованием метода конечных элементов. Оценка возможности использования предложенного подхода для определения и анализа НДС в оболочках, подверженных "канавочному износу".
Поставленные задачи решались путем анализа напряжено-деформированного состояния оболочек методом конечных элементов с построением сеток КЭ для упругопластических моделей. Достоверность получаемых результатов вычислительного эксперимента подтверждалась аналитическим и графическим методами.
При проведении вычислительного эксперимента, при расчете моделей, как в двумерном, так и в трехмерном варианте, был использован подход совместной работы в двух системах автоматизированного проектирования AutoCAD и инженерного анализа ANSYS. При выборе формы дефектов использовались литературные данные о геометрических характеристиках {поперечных сечениях) канавочных дефектов.
В основу расчетов моделей были положены диаграммы растяжения для сталей марок СтЗ-Ст20 и соответствующие предельные механические характеристики материала (ов-предел прочно ста от-предел текучести), полученные экспериментально.
По материалам и результатам исследований, проведенных в данной работе, разработаны и используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании студентами 4-х и 5-х курсов специальности
171701 - "Проектирование, монтаж, эксплуатация и ремонт оборудования" кафедры «МАХП» (УГНТУ) «Методические рекомендации по определению предельного состояния оболочек с канавочными дефектами методом конечных элементов». Разработанные методические рекомендации также переданы в ООО НГДУ "Аксаковнефть" для использования при определении первоочередности мероприятий по защите трубопроводов от канавочной коррозии методом профилактического поворота.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Результаты вычислительного эксперимента по определению допустимых геометрических характеристик одиночных канавочных дефектов трех видов на основе анализа НДС в оболочках под действием внутреннего давления в области упругих деформаций.
Результаты вычислительного эксперимента по определению условий безопасной эксплуатации оболочек с двумя дефектами типа "канавочный износ" в зависимости от их взаимного расположения в оболочке под действием внутреннего давления в области упругих деформаций.
Результаты лабораторного эксперимента, подтверждающего достоверность проведенных вычислительных экспериментов.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:
на 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2003);
1-й Международной научно-технической интернет-конференции «Творчество молодых в науке и образовании» (МГУИЭ, Москва, 2003) (Работа отмечена дипломом Национальной системы развития научной, творческой и инновационной деятельности молодежи России «Интеграция»);
3-й Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии в науке, образовании, экономике" (НИТНОЭ-2003), (Владикавказ, 2003);
VIII Международной научно-технической конференции «Проблема строительного комплекса России» (Уфа, 2004);
2-й Международной научно-технической конференции «Новесёловские чтения» (Уфа, 2004);
V юбилейной Международной молодежной научной конференции ,,Ceвepгeoэкoтex-2004,, (Ухта, 2004);
научной конференции аспирантов, молодых преподавателей и сотрудников вузов и научных организаций «Молодежная наука-нефтегазовому комплексу» (Москва, 2004);
55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2004).
Применение ингибиторов для защиты нефтепроводов от внутренней коррозии
Наиболее широко применяемым способом для защиты внутренней поверхности нефтепродуктов от коррозии является применение ингибиторов, хотя эффективность их применения редко превышает 85...90%, а производство отечественных ингибиторов коррозии до сих пор значительно ниже потребности в них [50].
Основной причиной, вызывающей коррозионное разрушение внутренней поверхности трубопроводов, является наличие в транспортируемой среде воды, различных солей и газов. Известно, что после подготовки нефти и газа на промыслах (удаление механических примесей, солей, воды, сероводорода, углекислого газа) в них остается достаточное количество указанных компонентов. Растворенные соли и газы в воде образуют электролит, являющийся одной из причин коррозии внутренней поверхности промысловых трубопроводов.
Коррозия трубопроводов может быть приостановлена или замедлена добавлением в транспортируемую среду различных химических веществ (нейтрализаторов и ингибиторов коррозии). Нейтрализаторы в настоящее время практически не применяются, а ингибиторы коррозии применяются лишь при наличии подробных сведений о виде коррозии и условиях протекания коррозионного процесса.
Механизм защитного действия ингибиторов в основном заключается в образовании на поверхности металлов защитных пленок [29], с помощью которых осуществляется разделение агрессивной среды и внутренней поверхности трубопровода. В настоящее время в мире создано и запатентовано несколько тысяч индивидуальных химических соединений и их смесей, применяемых в качестве ингибиторов коррозии.
Ингибиторы подразделяют в зависимости от характера среды, в которой протекает коррозия, по агрегатному состоянию, по растворимости в воде и различных солях.
Основная доля ингибиторов, используемых в настоящее время для защиты оборудования в нефтяной и газовой промышленности, представлена органическими азотсодержащими соединениями с длинными углеродными цепями. Применяется как однократная обработка, так и непрерывное введение ингибитора в продукт транспортирования. На восходящих участках, где канавочная коррозия проявляется наиболее часто, вследствие абразивного удаления пленки ингибитора по нижней образующей трубы, желаемый эффект защиты не достигается [2], то есть ингибиторная защита практического влияния на скорость канавочной коррозии не оказывает. На промысловых трубопроводах имеют место внутренняя коррозия стенок труб. Причиной внутренней коррозии является расслаивание продукции скважин на нефть и пластовую воду, которая располагается в нижней части трубопровода. В результате воздействия высокоминерализованной воды и механических частиц в потоке на нижнюю образующую трубы образуются продольные бороздки (канавки), которые и являются причиной отказов. Анализ применения ингибиторов коррозии на промыслах ОАО «Роснефть-Дагнефть» на примере месторождения «Димитровское» показывает [76]: - наличие механических примесей и технологических отложений в перекачиваемом продукте не позволяет с помощью ингибиторов коррозии бороться с "канавочным износом" по нижней образующей трубопровода; - на трубопроводах подверженных канавочной коррозии, применение ингибиторов может оказаться экономически необоснованным. В работе [46] рассмотрен опыт применения ингибиторов в системе нефтегазосбора Самотлорского месторождения. Хотя эффект защиты и достигается в процентном соотношении при дозировании ингибитора В составил в среднем 80-95%, причем минимальное значение соответствует начальному периоду закачки (периоду освобождения трубопровода от накопленных осадков и формирования защитной пленки), а увеличение концентрации увеличивает степень защиты нефтепровода. Однако эффект ингибиторной защиты значительно снизится, если в коллекторах имеются условия для отложения механических примесей (песка, продуктов коррозии), углеводородов и воды. Таким образом, можно сделать те же выводы, что и для промысловых трубопроводов ОАО «Роснефть-Дагнефть» и для данного нефтепровода, а на его фоне и для нефтепроводов в целом ингибиторная защита является дорогим и недостаточно эффективным методом для эксплуатации трубопроводов, подверженных канавочной коррозии в условиях малых скоростей транспортирования. Одним из перспективных направлений по повышению надежности трубопроводов является изоляция внутренней его поверхности тонкослойными полимерными покрытиями. В изделиях с полимерными покрытиями удачно сочетаются прочность и жесткость, присущие металлам, с химической стойкостью и рядом других специальных свойств, характерных для полимеров. Полимерные покрытия защищают внутреннюю поверхность трубопровода от коррозионного воздействия перекачиваемой нефтеводной эмульсии, предотвращают образование на них отложений парафинов и солей, защищают поверхность от гидроабразивно-механического износа, снижают гидравлические потери, обеспечивают чистоту продуктов при транспортировке.
Материалы полимерных покрытий классифицируются по назначению, физическому состоянию и ряду других признаков. Материалы, представляющие собой растворы, дисперсии и порошки, принято называть лакокрасочными. В большинстве случаев лакокрасочные материалы являются многокомпонентными составами, способными в определенных условиях образовать пленку, удерживаемую на поверхности изделия силами адгезии. Их составным компонентом является пленкообразователь, сообщающий материалу покрытия способность к образованию защитной пленки, и в значительной степени определяющий её основные свойства. В качестве пленкообразователей обычно используются органические вещества типа мономеров, олигомеров и полимеров. Некоторые материалы покрытий содержат два и более пленкообразователя. Помимо пленкообразователей в состав покрытия материала входят пигменты, пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, отвердители, инициаторы, ускорители, добавки для улучшения смачивания и растекания по поверхности, тиксотропные добавки и др.
Основные понятия и положения метода конечных элементов
Возникновение Метода Конечных Элементов (МКЭ) связано с решением задач космических исследований (1950 г.). Этот метод возник из строительной механики и теории упругости, а уже потом был осмыслен математиками, которые часто называют данный метод вариационно-разностным, подчеркивая тем самым его математическую природу. Они занимаются математическим обоснованием МКЭ, т.е. проводят теоретический анализ его сходимости и точности результатов. Представители же инженерного направления решают довольно сложные технические задачи, часто не задумываясь над строгим обоснованием применяемых ими приемов, а построенные алгоритмы и программы проверяют на известных точных решениях [8, 36].
Существенный толчок в своем развитии МКЭ получил после того, как было доказано (1963 г.), что этот метод можно рассматривать как один из вариантов известного в строительной механике метода Рэлея-Ритца, который путем минимизации потенциальной энергии позволяет свести задачу к системе линейных уравнений равновесия. Связь МКЭ с процедурой минимизации позволила широко использовать его при решении задач в других областях техники.
Экстремальные условия работы элементов современных конструкций, сложность их формы и большие габариты делают исключительно трудным и дорогим осуществление натурного или полунатурного эксперимента, особенно, если речь идет об установлении предельных (разрушающих) нагрузок. Создание конструкций такого типа невозможно без совершенствования и автоматизации процесса проектирования, применения новых материалов и технологий.
Необходимость внедрения в производство сложнейшей техники в короткие сроки привело к созданию систем автоматизированного проектирования (САПР), а в дальнейшем, на их базе, и систем инженерного анализа (САЕ), с помощью которых можно создавать достаточно объективные условия работы разнообразных физических процессов. Важную роль в этих системах играет расчет на прочность.
В основе любого расчета на прочность лежит расчетная схема, включающая в себя геометрию конструкции и действующие на нее нагрузки (механические и т.п.). В дальнейшем, в зависимости от конечных целей расчета, используя те или иные модели материала конструкции, определяются напряжения и деформации элементов конструкции. На основе анализа поля напряжений устанавливается наиболее опасное сечение, при этом используются те или иные гипотезы прочности, в зависимости от свойств материала и условий работы конструкции.
При создании расчетной схемы сложной конструкции средства МКЭ позволяют наиболее точно передать ее форму, при этом степень этой идеализации оказывает влияние на точность результатов расчета. Теории упругости и пластичности, теория пластин и оболочек и другие аналитические теории решают большое количество технических задач, связанных с исследованием напряженно-деформированного состояния твердых тел. Тем не менее, многие практически важные технические задачи не могут быть решены аналитически вследствие сложности геометрии конструкции и граничных условий. Так, например, конструкции с простой геометрией (рис. 1.3.1а и 1.3.1в) могут быть решены аналитически для получения значений внутренних напряжений, смещений, частот собственных колебаний. Задачи со сложной геометрией (например, гребной винт, рис. 1.3.1 г) обычно решаются численными методами, к которым относится, в частности, и метод конечных элементов. Стремление рассмотреть все более близкие к действительности форму и условия работы конструкции, а также стремление учесть реальные особенности деформирования материала потребовало дальнейшего совершенствования численных методов расчета. При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надежности элементов конструкций. С помощью таких моделей возможно выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям. Моделью называется система представлений, зависимостей, условий и ограничений, описывающих исследуемый и рассчитываемый процесс или явление. Модель представляет собой отображение объективной реальности и может иметь разную природу, структуру и форму представления. Надежностью называют свойство изделия выполнять свои функции в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Прочностной надежностью называют отсутствие отказов, связанных с разрушением или с недопустимыми деформациями, или, вообще, с наступлением предельного состояния в определенном смысле. Основной мерой надежности является вероятность безотказной работы изделия. Другой, более распространенной величиной оценки прочностной надежности является запас прочности. Пусть р - параметр работоспособности изделия (например, действующее усилие, давление, эквивалентное напряжение в опасной точке и т.п.). Тогда запасом прочности называют отношение где [n] - допустимое значение запаса прочности. Допустимый запас прочности назначают на основании инженерного опыта эксплуатации рассматриваемых конструкций (прототипов). Ряд отраслей техники имеют нормы прочности, в которых допустимые запасы прочности регламентированы для разных условий эксплуатации. Обычный диапазон изменений [п] может колебаться от 1, 3 (при стабильных условиях нагружения) до 5 и более (при переменных и динамических нагрузках). Основными моделями прочностной надежности, которые практически всегда (явно или неявно) присутствуют при проведении расчетов, являются модели материала, формы детали (конструкции), нагружения (условий нагружения) и предельного состояния (нарушения прочности).
Целью расчетов, "как правило" является определение запасов прочности. Неотъемлемой частью этих расчетов является этап определения напряженно-деформированного состояния.
В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и СОД нагружения. Численные методы, к которым относятся, в частности, метод конечных разностей, метод граничных интегральных уравнений, метод граничных элементов, метод конечных элементов и другие методы, напротив, не ограничены ни формой тел, ни способами приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным распространением мощной вычислительной техники, способствует их распространению в инженерной среде. Необходимо знать процесс деформирования (или разрушения) конструкции с продолжающимся во времени внешним воздействием.
Формирование конечно-элементной модели. Выбор конечных элементов
Проведена корреляция результатов вычислительного эксперимента и аналитического решения. Полученные результаты вычислительных экспериментов в сравнении с аналитическим методом показывают хорошую сходимость, что свидетельствует об определенной достоверности проведенного вычислительного эксперимента.
Наряду с полученными результатами возникает вопрос, как определить точность выполняемого анализа, когда аналитически просчитать имеющуюся модель является затруднительным. Для этого, при формировании конечно-элементной сетки использовался, так называемый "амплитудный" график (рис. 2.1.5.2), где получена зависимость эквивалентных напряжений от количества конечных элементов в модели. Количество элементов, в свою очередь, зависит от размера одного конечного элемента. На графике, где значение напряжений стабилизируется, т.е. величина напряжений практически не изменяется при увеличении количества элементов в модели, выбирается среднее значение напряжений и берется как расчетное. В данном вычислительном эксперименте при величине элемента в 0,001 м и общем количестве элементов в 104 шт, это значение составило 29,6 МПа. В вычислительном эксперименте показан расчет бездефектной оболочки в двух- и трехмерной постановке, т.к.. сходимость последних, в расчетах методом конечных элементов, наряду с аналитическим решением, доказывает правильность постановки задачи и её решения в целом.
Определен принцип сходимости проводимого анализа с точным решением для задач, решение которых аналитическим методом является затруднительным (рис. 2.1.5.2).
Определение напряженно-деформированного состояния в бездефектной оболочке под действием внутреннего давления послужил основополагающим этапом в данной работе, который помог более подробно и аргументировано сформулировать и претворить в жизнь дальнейшие вычислительные и натурные эксперименты. Конкретное определение и формулировка путей решения таких задач как, построение геометрии 2D и 3D оболочек, формирование конечно-элементной модели и непосредственно анализ, обоснованное отыскание и определение точного решения позволили провести следующий ряд вычислительных экспериментов для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) оболочек с одним канавочным дефектом для трех видов канавок. Целью исследования является установление предельного состояния оболочек с одним дефектом в зависимости от его геометрических параметров, Обзор литературных данных показал, что имеющиеся канавочные дефекты можно разделить на три вида, как — серповидная, овальная и шпоночная (п. 1.2.8). В процессе решения поставленной задачи были построены геометрические модели оболочки 325x10 мм с одним канавочным дефектом трех видов в зависимости от их геометрии. Построение геометрии проводилось в системе автоматизированного проектирования Mechanical Desktop с применением логических операций над стандартными примитивами (окружность, эллипс и т.д.). Таким образом, построение канавки серповидной формы (рис.2.2.1) происходило путем создания секущей окружности к основной 325x10 по 3 точкам (А-Б-В). Расстояние А-В определялось в зависимости от угла (ширины дефекта). Остаточная толщина стенки оболочки t, в области дефекта, определялась в зависимости от изменения координаты у точки Б. Ненужные линии отсекались для получения необходимой геометрии. Построение оболочки с канавкой овальной формы (рис.2.2.2) происходило путем наложения на внутреннюю окружность по 3 точкам эллипса, большая полуось которого является шириной канавки А-В, а малая характеризуется изменением координаты у точки Б, т.е. остаточной толщиной в канавке t. Расстояние А-В определялось в зависимости от принимаемой ширины дефекта. Ненужные линии для получения необходимой геометрии отсекались таким же образом. Построение оболочки с канавкой шпоночной формы (рис.2.2.3) происходило с использованием линий и путем создания трапеции с большим основанием А-В, которое характеризует ширину канавки. Остаточная толщина стенки оболочки в области дефекта t определялась в зависимости от изменения координаты у точки Б или высоты трапеции. Для приближения геометрии к реальной, углы трапеции, были скруглены малыми радиусами, с помощью окружностей 0 2 мм. Ненужные линии отсекались для получения необходимой геометрии. Обобщая сказанное, составим таблицу 2.2.1, где показана геометрия построенных для исследования канавок с соответствующими интервалами размеров. В зависимости от сочетания ширины и остаточной толщины стенки трубы в области канавок были построены по 20 комбинаций геометрии с шпоночными и овальными дефектами и 12 комбинаций с серповидными канавочными дефектами, Изменение ширины канавок bk производилось с шагом 5 мм для овальной и шпоночной канавок и через 15 градусов - для серповидной. Изменение остаточной толщины стенки tk в области канавок производилось с шагом 1 мм для всех видов дефектов. Формирование физических моделей в ПК ANSYS происходило поэтапно и аналогично действиям, проводимым в пп.2.1.2 — 2.1.5. Для формирования симметричных задач, тем самым значительно упрощая решение, все три геометрии были разделены на две части осью симметрии у. При конечно-элементном анализе для решения плоских задач для всех моделей был принят параболический 8-узловой конечный элемент (solid 183 - см. рис.2.1.2.2 б), а для исследования объемного состояния был выбран 20-узловой параболический конечный элемент (solid 186 см. рис.2.1.2.2 г).
Формирование сетки конечных элементов заключалось в выборе оптимальной, одновременно достаточно простой для расчета и эффективной в моделировании физических параметров сетки. Построение сетки для серповидного и овального дефекта оказалось достаточно простым, и создать на этих моделях упорядоченные сетки оказалось доступнее всего (рис.2.2.4, 2.2.5). В местах сложной формы, предполагаемых больших градиентов напряжений, имеется ввиду радиусы скруглення г мнимой трапеции в основании канавки, имело место стремление создать сетку близкую к упорядоченной (рис.2.2.6).
Вычислительный эксперимент на модели оболочки со шпоночным канавочным дефектом
Известно, что неопровержимым подтверждением любых новых, как аналитических, так и компьютерных решений является постановка и проведение натурного лабораторного эксперимента. Хотя, полученные в предыдущих главах результаты подтверждены определенным образом, используя графические зависимости эквивалентных напряжений от количества конечных элементов в моделях оболочек с канавочными дефектами, возникает интерес подтвердить, полученные данные классически проведением лабораторного эксперимента.
Изучены различные виды канавок, их число и влияние геометрических характеристик, а также их взаимное расположение на эквивалентные напряжения в области канавки под действием внутреннего давления. В продолжение исследования напряженно-деформируемого состояния оболочек, подверженных "канавочному износу", был проведен вычислительный эксперимент и аналогичный ему лабораторный полунатурный эксперимент. Целью последних было сравнить сходимость результатов, получаемых в реальных условиях, с результатами вычислительного эксперимента, используя метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе «ANSYS».
Для выполнения вычислительного эксперимента в системе автоматизированного проектирования AutoCAD, используя механизмы и инструменты, описанные в предыдущих главах, была построена ЗО-модель оболочки протяженностью L=220MM с внешним диаметром Дн=108мм, толщиной стенки t=4MM и шпоночной канавкой по нижней образующей со следующими геометрическими характеристиками: - остаточная толщина стенки трубы в области канавки tk=lMM; - ширина канавки Ьк=15мм (рис. 4.1.1). После построения необходимой геометрии, модель была экспортирована в ядро инженерного анализа программного комплекса «ANSYS», разбита на конечные элементы (20-узловой элемент solid 185), установлены граничные условия и заданы фактические свойства материала (ств, стт). Последние определялись по диаграмме растяжения плоского образца (рис. 4.1.2) из стали марки Ст20. зависимости от внутреннего давления (вычислительный эксперимент). Результаты вычислительного эксперимента показали, что области максимальных эквивалентных напряжений располагаются, как и предполагалось, в местах их концентраторов (рис.4.2.1, б). Заключение о достижении конструкцией разрушения делали по значениям максимальных эквивалентных напряжений, соответствующим пределу прочности материала ъэквмакс = ав = 469 МПа (рис. 4.1.4). По результатам вычислительного эксперимента, разрушающее давление рр составило 9,3 МПа (таб. 4.2.1). Герметичность конструкции обеспечивалась выбором стандартной пары воротникового фланца 100x63 (тип "шип-паз", где Ду=100 мм, рвн=6,3 МПа) с заглушкой того же типа размера, под требуемое давление, с одной стороны, и соответствующей крышки для глушения участка трубы с другой стороны. Инструментом разрушения служил приспособленный для гидравлических испытаний грузопоршневой манометр МП-600 (рис.4.2.2), позволяющий плавно нагнетать давление с помощью штурвала 1. Рабочим органом являлся малопорционный поршневой насос 2, а индикатором эффективности процесса служил манометр избыточного давления 3 типа МПЗ-У с пределами измерений 0...16МПа, прошедший государственную поверку в Центре Стандартизации Метрологии и Сертификации Республики Башкортостан. В качестве рабочей среды использовалось автотракторное масло Novoil. Предметом разрушения являлась труба с канавочным дефектом, с одной стороны заглушённая крышкой, с другой имеющая фланцевое соединение, ответный фланец которого являлся заглушкой с приваренным штуцером для подсоединения МП-600 (рис. 4.2.3). 104 После о прессовки и освобождения от воздуха производилось постепенное нагнетание давления с фиксацией последнего на 5 минут с интервалом в ІМПа. По достижении давления равного 7МПа, интервал был снижен до 0,5 МП а. По результатам эксперимента при достижении давления рН1=9МПа и фиксацией примерно 5 минут, имело место разрушение образца (рис. 4.2.1 б) по краю канавки с протяженностью раскрытия около 2/3 длины образца по одному из концентраторов напряжения (рис. 4.2.1, а). В ходе экспериментов проводились измерения коэрцитивной силы в зоне канавочного дефекта с изменением внутреннего давления-Измерения проводились с помощью магнитного структуро скоп а КРМ-Ц. По данным, полученным в ходе проведенных наблюдений, построена графическая зависимость коэрцитивной силы Не от внутреннего давления (рис,4,2.4). Характер полученной зависимости свидетельствует о росте коэрцитивной силы в области канавочного дефекта при повышении внутреннего давления в образце. Сравнение графиков 4.1.4 и 4.2.4 говорит об определенной корреляции полученных данных. Так, кривые, характеризующие изменение эквивалентных напряжений (рис. 4.1.4) и коэрцитивной силы (рис. 4.2.4) в области дефекта под действием внутреннего давления имеют однотипный характер. Данный факт свидетельствует о возможности использования информации о напряженности материала (Ампер/см) для определения реального напряженного состояния в сосудах давления. Результаты, полученные в ходе вычислительного и лабораторного экспериментов, показали хорошую сходимость (менее 5%-й погрешности принятой для технических расчетов [49]) (таб. 4.2.1), что говорит об определенной достоверности результатов, представленных в предыдущих главах. Таким образом, показана принципиальная возможность применения метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «ANSYS», для решения задач, связанных с оценкой и анализом напряженно-деформированного состояния оболочек, подверженных «канавочному износу».
