Введение к работе
Актуальность работы.
Сосуды и аппараты, работающие под давлением, являются основным элементом различных технологических систем химических предприятий и предприятий смежных отраслей промышленности. Безопасная эксплуатация сосудов обеспечивает функционирование и развитие современных предприятий. На сегодняшний день остаются до конца не решенными задачи оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов. Актуальность данных задач обусловлена в первую очередь экономическими причинами: высокой стоимостью оборудования и необходимостью эксплуатации стареющего парка оборудования отработавшего проектный ресурс, возросшей конкуренцией в условиях рыночной экономики, требующих снижения себестоимости производства, ухудшением ремонтной базы предприятий и снижением производственной дисциплины.
В связи с чем, разработка научно-методических основ для оценки остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, гарантирующих безопасную эксплуатацию, является чрезвычайно актуальной.
Объектом настоящего исследования являются штуцерные узлы сосудов, работающих под давлением. Практика проектирования и эксплуатации сосудов, работающих под давлением свидетельствует, что по уровню напряженно - деформированного состояния узлов пересечения патрубков штуцеров с обечайками и днищами приходится оценивать остаточный ресурс сосуда в целом, особенно в условиях малоциклового на-гружения, в то же время анализ напряженно-деформированного состояния указанных узлов является сложной исследовательской проблемой, даже при отсутствии каких - либо дефектов.
Анализ причин аварий и инцидентов при эксплуатации сосудов, работающих под давлением, показывает, что в большинстве случаев опасными дефектами являются острые дефекты в местах конструктивной концентрации напряжений, возникшие при изготовлении и эксплуатации - дефекты сварки и коррозионные язвы, способные привести к разгерметизации и разрушению сосудов.
Для полной оценки остаточного ресурса оборудования, работающего под давлением, необходимо располагать комплексом методических и программных документов, позволяющим провести оценку напряженно - деформированного состояния в зонах конструктивной концентрации напряжений сосудов с учетом наличия трещиноподобных дефектов и их влияния на прочность конструкции в целом.
Существующие на сегодняшний день нормативные документы по расчету сосудов, работающих под давлением, не позволяют провести оценку прочности с учетом обнаруживаемых дефектов, в связи с чем, исследование, посвященное анализу напряженно -деформированного состояния сосудов с трещиноподобными дефектами в штуцерных узлах является актуальным и отвечающим потребностям промышленности.
Цель работы - разработка методики оценки прочности и остаточного ресурса сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением с учетом наличия трещиноподобных дефектов в штуцерных узлах с использованием метода конечных элементов, реализуемого в компьютерном комплексе «ANSYS» и результатов экспериментальных исследований трещиностойкости сталей.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Основные задачи работы:
-
Анализ существующих методов оценки и результатов экспериментальных исследований напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением;
-
Анализ экспериментальных исследований влияния технологических и эксплуатационных дефектов на прочность сосудов, работающих под давлением и существующих методов оценки работоспособности сосудов с дефектами;
-
Разработка алгоритма построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической обечайке, позволяющего учесть особенности конструктивного оформления узла, геометрию и расположение трещиноподобных дефектов, механические характеристики материала, действующие нагрузки;
-
Разработка алгоритма расчета параметров механики разрушения для оценки прочности штуцерных узлов с трещиноподобными дефектами;
-
Оценка достоверности получаемых результатов напряженно - деформированного состояния путем сравнения с результатами аналитических расчетов и результатами экспериментальных исследований;
-
Анализ упруго - пластического деформирования штуцерных узлов содержащих трещиноподобные дефекты в условиях циклического нагружения внутренним давлением;
-
Практическое применение конечно - элементной модели для оценки остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением.
Методом решения поставленных задач явилось математическое моделирование с использованием метода конечных элементов. Научная новизна.
-
Разработан алгоритм построения конечно - элементной модели штуцерных узлов с учетом конструктивных параметров, механических свойств, нагрузок с включением в модель трещинопобных дефектов;
-
Впервые разработан и апробирован алгоритм расчета параметров трещиностоикости - интеграла Раиса-Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений трещин в штуцерном узле для условий упруго - пластического циклического деформирования;
-
Разработана методика оценки остаточного ресурса сосудов на основе получаемых параметров трещиностоикости с использованием результатов экспериментальных исследований скорости роста трещин в конструкционных сталях и их сварных швах.
Достоверность основных положений и выводов обеспечивается использованием закона сохранения энергии при формировании системы уравнений метода конечных элементов и определении параметров трещиностоикости, сравнительным анализом расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований напряженно - деформированного состояния натурных сосудов, работающих под давлением и использованием экспериментальных результатов определения параметров трещиностоикости конструкционных сталей и их сварных швов.
На защиту выносятся:
-
Алгоритм построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической обечайке;
-
Алгоритм расчета параметров трещиностоикости - коэффициента интенсивности напряжений и интеграла Раиса-Черепанова для трещин в условиях циклического упруго - пластического нагружения;
-
Результаты оценки напряженно - деформированного состояния штуцерных уз-
лов с трещиноподобными дефектами в условиях циклического нагружения внутренним давлением с использованием интеграла Раиса - Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений;
4. Методика оценки остаточного ресурса на основании расчетных величин параметров трещиностоикости и результатов экспериментальных исследований скорости роста трещин в конструкционных сталях и сварных швах.
Практическая ценность результатов работы:
-
В совершенствовании существующих методов оценки напряженно - деформированного состояния сосудов, работающих под давлением в части уточненных расчетов на прочность штуцерных узлов с учетом наличия в конструкции укрепляющих элементов;
-
В совершенствовании существующих методов вычисления коэффициентов интенсивности напряжений, характеризующих напряженно - деформированное состояние трещиноподобных дефектов в сварных швах сосудов, работающих под давлением в части учета пластического деформирования и его влияния на расчетные коэффициенты интенсивности напряжений;
-
Методика расчета, рассмотренная в работе, разработана для использования экспертными организациями при оценке остаточного ресурса сосудов отработавших проектный ресурс в тех случаях, когда имеются условия для появления усталостных трещин - циклическое нагружение внутренним давлением, дефекты сварных швов, а также необходима оценка прочности по критерию хрупкого разрушения.
Реализация и внедрение результатов работы. Программные и методические разработки диссертации используется экспертной организацией ЗАО «Инженерно -технический центр «Регионтехдиагностика» (г.Казань) при определении остаточного ресурса и для обоснования необходимости ремонта оборудования (справка №П-84-13 от 25.06.2013), экспертной организацией ООО «Анализ и экспертиза» (г.Казань) при определении остаточного ресурса оборудования (справка №260-1/13 от 27.06.2013). Программные и методические разработки диссертации используются при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Расчет сосудов нефтегазопереработки методом конечных элементов» образовательной программы «Безопасная эксплуатация оборудования производств глубокой переработки углеводородного сырья» по направлению подготовки магистров 151000.68 «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (справка №110-4006/1-6-4/10 от 16.10.2013). Копии документов приведены в Приложении к диссертации.
Апробация работы.
Основные результаты исследований, представленные в работе, докладывались на научных сессиях ФГОУ ВПО КНИТУ (Казань, 2002-2012), на Межрегиональной научно -практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» (г.Нижнекамск, 2004), Международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго - и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (г.Иваново, 2007); XXV и XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2012-2013 г.)
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах и тезисах докладов. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов к работе, списка использованной литературы, включающего 87 наименований и приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 15 таблиц.
