Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ основных факторов нарушения и оценки безопасного со стояния дымовых труб 8
1.1 Атмосферные воздействия на дымовые трубы 8
1.2 Коррозионное воздействие дымовых газов 18
1.3 Температурно-силовые воздействия 22
Выводы по разделу 25
2 Научное обоснование метода расчета безопасного срока эксплуата ции дымовых металлических труб с учетом воздействия рабочих сред 26
2.1 Современные подходы к оценке безопасного срока эксплуатации дымовых металлических труб 26
2.2 Обоснование кинетического уравнения повреждаемости конструктивных элементов дымовых труб с учетом температуры и коррозии 33
Выводы по главе 46
3 Исследование влияния температурно-силовых и коррозионных воздействий на ресурс безопасной эксплуатации металлических дымовых труб 47
3.1 Расчет металлических дымовых труб на прочность и устойчивость 47
3.2 Определение ресурса безопасной эксплуатации дымовых металлических труб в условиях механохимической коррозии 50
3.3 Расчетная оценка ресурса безопасной эксплуатации дымовых металлических труб при пульсационных нагрузках и механохимической коррозии 53
3.4 Влияние на ресурс безопасной эксплуатации дымовых металлических труб температуры и коррозии 56
Выводы по главе 58
4 Оценка и прогнозирование ресурса безопасной эксплуатации конструктивных элементов дымовых металлических труб с повреждениями, вызванными температурно-силовыми и коррозионными воздействиями рабочих сред 59
4.1 Оценка степени износа дымовых металлических труб с повреждениями по критериям статической прочности 59
4.2 Определение безопасного срока эксплуатации конструктивных элементов с повреждениями при циклическом нагружении 61
4.3 Определение безопасного срока эксплуатации дымовых металлических труб с трещинами 79
Выводы по главе 91
Основные выводы по работе 92
Библиографический список использованной литературы 93
Приложение
- Коррозионное воздействие дымовых газов
- Обоснование кинетического уравнения повреждаемости конструктивных элементов дымовых труб с учетом температуры и коррозии
- Определение ресурса безопасной эксплуатации дымовых металлических труб в условиях механохимической коррозии
- Определение безопасного срока эксплуатации конструктивных элементов с повреждениями при циклическом нагружении
Введение к работе
Дымовые трубы находятся под непрерывным действием ветровых нагрузок, вызывающих заметные колебания и связанные с ними знакопеременные напряжения. Кроме того, эксплуатационные условия дымовых труб таковы, что, помимо указанных колебательных процессов, внутренние поверхности находятся под влиянием высокотемпературных агрессивных газовых потоков, снижающих расчетные сопротивления строительных материалов. Среди причин, вызывающих накопление дефектов и снижение несущей способности конструкций, кроме естественного старения качества строительных материалов, наиболее важными являются много- и малоцикловая усталость, хрупкое разрушение и ползучесть.
Как показывает опыт, зачастую даже при реализации удачных проектных решений незначительные ошибки при монтаже, а также отклонения от расчетных режимов эксплуатации и нарушение порядка в проведении штатных регламентных работ по диагностике состояния конструкций и обслуживанию приводят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями.
Необходимо также учитывать, что, в отличие от типовых строительных конструкций, дымовые и вентиляционные трубы находятся под действием пульсационного давления ветра. Для высоких вертикальных цилиндрических и конических труб, представляющих достаточно гибкие конструкции, характерны периоды собственных колебаний, находящиеся в области спектра пульсаций скорости ветра. Например, для стальных труб высотой до 20 м при толщине силовой стенки 15 мм периоды основного тона собственных колебаний составляют 0,01- 0,03 с. Для таких низкочастотных сооружений необходимо учитывать низкочастотную часть ветрового спектра.
Причины аварий могут быть также связаны с проектированием, когда прочность объекта снижается до критического уровня при стремлении проектировщика получить наиболее экономичные (оптимальные) конструктивные решения на основе уточненных методов расчета, допускающих «безопасные» локальные остаточные деформации. Это связано с тем, что одной из основных причин повреждений и разрушений конструкций при авариях является их трещинообразная дефектность, поскольку номинальная прочность определяется размерами дефектов, которые установить достаточно сложно.
Сложность обнаружения усталостных дефектов и прогноза момента усталостного разрушения связана с тем, что трещины подрастают без заметных
деформаций, а само разрушение происходит внезапно - при достижении размерами дефектов критических значений.
Указанные обстоятельства послужили причиной необходимости разработки и внедрения в практику эффективных систем контроля.
Проблеме разрушения конструкций и сооружений посвящено большое число работ, и исследования в этой области продолжаются. Однако изучение вопроса в области безопасной эксплуатации и контроля состояния дымовых труб крайне ограничено. Применение в этих целях традиционных методов обследования и мониторинга строительных объектов нуждается в существенной корректировке и обосновании, связанных со спецификой эксплуатационных условий объекта (высокотемпературные, химически агрессивные газовые потоки внутри труб, вибрации и др.). Официальные методы оценки физического состояния функционирующих дымовых труб без остановки технологического процесса до настоящего времени не разработаны.
На современном этапе развития общества уровень промышленного производства определяет не только уровень жизни отдельно взятого человека, но и оборонный потенциал страны. Моральный и физический износ, отсутствие плановых ремонтов производственных фондов породили так называемую "проблему 2003", когда, по прогнозам специалистов, возможен резкий рост уровня аварий и катастроф во многих отраслях промышленности.
Надежность работы любой производственной системы определяется совокупностью надежностей составляющих звеньев технологического процесса. Для увеличения надежности сложных и опасных производств применяют хорошо известные методы, такие как дублирование, резервирование наиболее ответственных звеньев производственного процесса, плановые предупредительные и капитальные ремонты.
Дымовые и вентиляционные трубы промышленных предприятий — электростанций, металлургических, нефтехимических, газоперерабатывающих и других заводов - являются конечным звеном технологических процессов, и вывод их из эксплуатации, как правило, приводит к остановке всего технологического процесса. Например, на типовой тепловой электростанции к одной дымовой трубе присоединяются до 8 паровых котлов и генераторов, отключение и ремонт которых производятся поочередно. В случае вывода в ремонт дымовой трубы требуется остановить на длительное время все 8 агрегатов.
Длительность и качество ремонта напрямую зависят от правильно и своевременно проведенной технической диагностики дымовой трубы, обнаружения дефектов, влияющих на ее работоспособность, и их устранения.
Дымовые трубы промышленных предприятий - сложные дорогостоящие высотные инженерные сооружения, которые подвергаются не только значительным ветровым и сейсмическим воздействиям извне, но и испытывают воздействие агрессивных высокотемпературных газов, движущихся внутри трубы.
Для защиты несущих стволов дымовых труб от действия высокой температуры и кислот применяются защитные футеровки - кирпичные, стальные, полимербетонные и пр. В случае, если в футеровке образуется трещина, прогар или другой дефект, разрушение несущего ствола происходит во много раз быстрее, что приводит к обрушениям дымовых труб с весьма тяжелыми последствиями для производства, персонала и жизнеобеспечения населения и территории в случае отключения жизненно важных производств, например теплоэнергоцентралей в зимнее время.
Отказы дымовых труб напрямую связаны с нарушением режимов при их эксплуатации, практически полным отсутствием технического надзора, недооценкой важности проведения технических диагностических мероприятий. В то же время выход из строя дымовой трубы может привести не только к остановке производства с большими экономическими потерями. Нередко проводится техническое обследование дымовых труб, находящихся в преда-варийном состоянии. Причем даже в таких ситуациях промышленные предприятия с трудом решают психологические и экономические проблемы.
Анализ работоспособности и безопасности эксплуатации дымовых труб показывает, что они в процессе эксплуатации подвергаются жестким температурно-силовым и коррозионным воздействиям, учет которых при оценке характеристик безопасности представляет сложную и нерешенную проблему.
В связи с этим приобретает несомненную актуальность и практическую значимость разработка методов расчета безопасного срока эксплуатации дымовых труб, базирующихся на фактическом состоянии их конструктивных элементов с учетом температурно-силовых и коррозионных воздействий рабочих сред, в том числе и окружающей среды.
Цель работы - оценка и прогнозирование ресурса безопасной эксплуатации дымовых металлических труб с учетом температурно-силовых и коррозионных воздействий рабочих сред.
Основные задачи работы:
- научное обоснование метода расчета безопасного срока эксплуатации дымовых металлических труб с учетом воздействия рабочих сред и температуры;
- исследование влияния температурно-силовых и коррозионных воздействий на ресурс безопасной эксплуатации дымовых металлических труб;
- оценка и прогнозирование ресурса безопасной эксплуатации конструктивных элементов дымовых металлических труб при пульсационных нагрузках и механохимической коррозии.
Научная новизна:
- установлены закономерности и получены формулы для оценки степени повреждаемости дымовых труб с учетом коррозии, теплового разупрочнения и деформационного старения;
- предложены и обоснованы аналитические зависимости для расчетной оценки ресурса безопасной эксплуатации дымовых металлических труб в условиях одновременных температурно-силовых и коррозионных воздействий рабочих сред;
- разработаны методы расчета и повышения ресурса безопасной эксплуатации дымовых труб с повреждениями при пульсационных нагрузках и механохимической коррозии.
Практическая ценность результатов работы:
- предложенные аналитические зависимости и методы расчета долговечности позволяют обоснованно назначать сроки безопасной эксплуатации дымовых металлических труб после проведения очередного технического обследования их состояния;
- разработанная при участии автора диагностическая система контроля внутренней поверхности дымовых труб успешно используется в практике диагностирования без остановки их работы.
Коррозионное воздействие дымовых газов
Негативное влияние воздействия дымовых газов на стойкость конструкций дымовых труб проявляется в виде сульфатной коррозии, фильтрации влаги на наружную поверхность ствола, эрозии внутренней поверхности футеровки и температурных колебаний. Коррозионное воздействие дымовых газов зависит от их температуры, скорости, вида и состава используемого топлива, а также режима работы.
Основными компонентами продуктов сгорания в трубах являются оксиды углерода и азота, водяной пар, диоксид серы, а также твердые частицы золы.
В зависимости от вида топлива содержание S02 составляет 0,1 - 0.5 % по объему, a S03 - 0,001-0,008 %. Переход S03 в H2S04 начинается при температуре около 300 С и заканчивается при 200 С, поэтому в трубе этот газ находится в ассоциированном состоянии с водяными парами, т.е. представлен в виде серной кислоты. S02 содержится почти во всех видах газов и способен окисляться в SO3 в зависимости от температуры, а также состава воздуха.
Снижение температуры дымовых газов приводит к образованию конденсата, представляющего раствор серной кислоты. Чем больше в газах сернистых соединений, тем ниже температура точки росы. Считается, что при содержании в топливе более 3 % серы конденсат на стенках трубы может быть в виде серной кислоты концентрацией до 70-80 %.
Коррозия в кирпичных и футерованных железобетонных трубах может развиваться и без образования конденсата на внутренней поверхности. Такое явление имеет место, когда на отдельных участках трубы возникает давление, вызванное изменением скорости газа и действием ветра. В этом случае пары с агрессивными газами могут конденсироваться не на поверхности, а в толще футеровки.
Кроме газообразных составляющих и паров воды значительную роль на коррозионные процессы оказывают твердые частицы - аэрозоли. Именно аэрозоли с размерами частиц до 100 мк являются центрами, вокруг которых в первую очередь начинается образование конденсата. Наибольшее их количество в виде золы образуется в трубах при использовании угля.
Так как основные разрушения в трубах вызваны образованием конденсата, зафиксируем три возможных типа состояний: температура насыщения конденсирующихся веществ меньше температуры газов и температуры поверхности (tr tcm tmc). При таком режиме в трубе исключается конденсация; температура насыщения конденсирующихся веществ меньше температуры газов, но больше температуры стенки (tr /нас tcm). Образование конденсата будет происходить на поверхности; температура насыщения конденсирующихся веществ больше температуры стенки и температуры газов (tHac tr tCT). Конденсация при таких параметрах будет происходить в объеме дымовых газов.
В зависимости от этих условий для первого случая расчет массо-обмена не производится, для второго производится определение потока конденсата по поверхности за счет диффузии. Для третьего случая количество конденсата, образующегося на поверхности, определяется суммарно за счет концентрационной диффузии и инерционного осаждения капелек тумана с частицами золы.
Диффузия газов через неплотности футеровки к стволу трубы вызывается как разностью концентраций, так и возможным избыточным давлением на отдельных участках трубы по высоте.
Учитывая, что в дымовых газах содержание паров влаги достигает иногда 20-25 % по объему и превышает на порядок их содержание в воздухе, вследствие разницы парциальных давлений они проникают из полости трубы в стены ствола, принося с собой конденсат.
Конденсат при малой жесткости, без примесей кислот и сульфатов, например при газообразном топливе или при мокрой очистке дымовых газов, вызывает коррозию первого вида - выщелачивание свободной извести из цементного камня бетонов и растворов. При выщелачивании из цементного камня 30-40 % свободной извести бетон разрушается.
В плотных материалах дымовых труб этот процесс протекает медленно в связи с затрудненной фильтрацией конденсата, в пористых - значительно быстрее, вызывая повреждения.
При наличии в конденсате серной кислоты происходит коррозия второго вида - разрушение кислотой цементного камня в бетонах и растворах и кирпича в кладке. Реакция протекает по уравнению [28 ]:
Образовавшиеся сульфаты частично растворяются и вымываются конденсатом. Этим определяется скорость коррозии второго вида.
При малом количестве конденсата сульфаты не вымываются. Однако происходит их кристаллизация с присоединением двух молекул воды (H2S04 2Н20) и превращением в гипс.
При наличии растворов гипса в цементном камне образуется сульфо-алюминат кальция, в котором на одну молекулу трехкальциевого алюмината, присутствующего в цементном камне, приходится три молекулы гипса. Это соединение кристаллизуется с 30 молекулами воды, образуя Иглы сульфоалюмината кальция переплетаются между собой, образуя своеобразный войлок. Увеличиваясь в объеме при кристаллизации, гипс и сульфоалюминат кальция сначала заполняют поры, повышая прочность материалов, но при дальнейшем увеличении объема разрушают их. Такая коррозия относится к третьему виду. Она наиболее разрушительна в дымовых трубах.
При всех трех видах коррозии более стойкими являются плотные материалы с небольшой пористостью и отсутствием трещин. Развитие коррозии третьего вида зависит, кроме того, от прочности материала на растяжение, ибо при высокой прочности замедляется образование трещин.
Следует заметить, что при повышенных скоростях дымовых газов коррозия увеличивается вследствие повышения статического давления и массо-обмена между газами и стенкой трубы.
Явление сульфатации и кристаллизации сульфатов и его негативные последствия ярко проявляются на состоянии футеровки труб.
Увеличение объема при кристаллизации гипса и сульфоалюмината кальция приводит к росту толщины слоя футеровки, которая, расширяясь в горизонтальном направлении по диаметру, зачастую полностью ликвидирует воздушную прослойку, соединяясь враспор со стволом, а при ее отсутствии разрушает изоляцию, нарушает паровлагоизоляцию и, в конечном счете, разрушается сама от возникающих напряжений сжатия.
Расширение футеровки в вертикальном направлении приводит к ликвидации зазоров под слезниковыми поясами и вызывает разрушение этих элементов, что, в свою очередь, пагубно влияет на конструкцию ствола, открывая доступ конденсата к его поверхности.
Обоснование кинетического уравнения повреждаемости конструктивных элементов дымовых труб с учетом температуры и коррозии
Большинство опубликованных работ посвящено исследованию скорости развития повреждений в конструктивных элементах с учетом пораздель-ного влияния коррозионного и высокотемпературного воздействий. Между тем многие конструктивные элементы работают в условиях одновременного действия механических напряжений, коррозии и высокотемпературной ползучести, в частности металлические элементы дымовых труб при эксплуатации.
В процессе эксплуатации дымовых труб в конструктивных элементах происходит снижение их рабочего сечения вследствие реализации пластических деформаций, обусловленных действием механических напряжений є0, высоких температур (ползучести) єп и коррозионной среды єк. Степень повреждения рабочего сечения элемента будем оценивать глубиной Н. Тогда скорость роста повреждения на основании принципа линейного суммирования можно записать: dH/dt = (dH/dt)e + (dH/dt)n + (dH/dt)k, где (dH/dt)e - степень изменения поперечного (рабочего) сечения элемента в результате мгновенного приложения внешней нагрузки; (dH/dt)n - скорость изменения поперечного сечения, обусловленного деформацией ползучести; (dH/dt)K -скорость роста повреждения из-за проявления механохимической коррозии. Установлено, что скорость роста повреждения в трубах, обусловленного действием внешних нагрузок и ползучести, может быть определена на основании известных уравнений теории пластичности и ползучести по следующей аналитической зависимости: где 80 - начальная (до эксплуатации) толщина стенок труб; А и m - константы, определяющие процессы деформационного упрочнения и разупрочнения металла от действия высоких температур. Скорость роста повреждения в результате механохимической коррозии представлена в линейной зависимости от интенсивности напряжений cjj и деформации г{: (dH/dt)k = = U0[(l + kCT -aj)(1 +кє [)], где щ - скорость коррозии ненапряженного металла; кст и кє - механохимические параметры. Учитывая, что сг,- = С є" (Сип- константы деформационного упрочнения стали), можно записать:
Таким образом, скорость повреждения элементов дымовых труб при эксплуатации может быть представлена в следующем виде:
Предельные геометрические и механические параметры уравнения (2.2) определялись по фактическому состоянию конструктивных элементов с учетом деформационного старения материала, наличия сквозных и несквозных повреждений. Предельное состояние конструктивных элементов с трещинообразными повреждениями эксплуатационного и металлургического происхождения оценивалось по критериям механики упругопластическо-го разрушения (Е.М. Морозов) с применением относительного предела тре-щиностойкости. В работе получены расчетные формулы для определения параметров конструктивных элементов в предельном состоянии и параметра Рпо несущей способности (Рнс). В дальнейшем, базируясь на величинах Рнс и уравнении (2.3), в работе установлены закономерности и получены аналитические зависимости для оценки параметра Р по долговечности конструктивных элементов с наиболее характерными сквозными и несквозными повреждениями.
В ряде случаев из-за повреждения футеровки металлический ствол дымовой трубы может оказаться под воздействием высоких температур. Как известно, с повышением температуры механические свойства материалов изменяются: пределы прочности, пропорциональности и текучести, а также модуль упругости убывают. При этом пластичность увеличивается, но при некоторых температурах (в зависимости от состава стали) она может и понижаться.
Для большинства конструкционных материалов при нормальной температуре статическая прочность практически не зависит от времени приложения нагрузки. При повышенных температурах, а для некоторых материалов (типа полимеров) даже при нормальной, статическая прочность зависит от длительности нагружения, так как с течением времени могут меняться механические свойства материала, размеры детали и распределение в ней напряжений. Поэтому при высоких температурах определяют не только обычные механические характеристики при кратковременных испытаниях, но и характеристики при продолжительной работе. Прочность материала называют в этом случае длительной прочностью.
Для определения механических свойств образца при продолжительной работе его нагревают в электропечи, установленной на разрывной машине, нагружают и отмечают время до разрушения tp. Чем выше напряжение, тем быстрее разрушается образец.
Напряжение, при котором образец разрушается не ранее заданного времени, называют пределом длительной прочности одл. Обозначение ада = 250 МПа указывает, что при напряжении 250 МПа образец разрушается не менее чем через 300 ч. Предел длительной прочности всегда ниже предела прочности при кратковременном испытании.
Определение ресурса безопасной эксплуатации дымовых металлических труб в условиях механохимической коррозии
Анализ этой формулы показывает, что повышение уровня напряженности металла приводит к снижению ресурса дымовых труб. Поэтому при выборе марок сталей дымовых труб следует учитывать, что повышение исходных прочностных свойств не всегда может приводить к желанным позитивным результатам. Очевидно, что снижение Кит способствует росту долговечности тт. Первоначально устойчивый ствол дымовой трубы в процессе эксплуатации может разрушиться вследствие нарушения устойчивости круглой формы. Особенностью этого вида предельного состояния является тот факт, что в большинстве случаев действующее напряжение оказывается ниже предела текучести металла: асг ат. Для оценки долговечности дымовой трубы в условиях потери устойчивости формы дымовой трубы необходимо проинтегрировать уравнение (3.17) в пределах от 0 до ту и от а0 до осг. В этом случае уравнение (3.19) принимает следующий вид: где Кну - коэффициент использования несущей способности по критическим напряжениям устойчивости. В случае комбинированных нагрузок асг рассматривается по соответствующим формулам [28] В общем случае нагружения дымовых труб напряжениями сжатия, изгиба и кручения интенсивность напряжений рассматривается по известной формуле где ах, ау и GZ - компоненты нормальных напряжений; тху, ту7 и xzx - компоненты касательных напряжений. Необходимо отметить, что значения действующих напряжений необходимо определять с учетом высотного изменения сжимающих и изгибающих сил. При отсутствии касательных напряжений где а і, а2иа3 — главные напряжения. На дымовую трубу практически постоянно воздействует целый ряд нагрузок: ветровая, температурная, колебательная, от собственной массы и т.п.
При длительном воздействии в совокупности этих нагрузок в условиях агрессивных сред в ограждающих конструкциях происходит понижение предела выносливости - возникает так называемая коррозионная усталость материала, критерием которой является снижение его несущей способности. Выше рассмотрены условия, при которых обеспечиваются прочность и устойчивость ствола дымовой трубы при воздействии на нее внешнего давления, приложенного нормально к боковой поверхности, которое есть не что иное, как ветровое давление (Р = 0,67kF, где 0,67 - коэффициент силы давления на круглую трубу; к - удельное ветровое давление в 1471 Па (150 кг/м ); F - площадь трубы). Однако в ветровой нагрузке на металлическую трубу серьезное влияние оказывает пульсационная составляющая, нормативное значение которой для сооружений с первой частотой собственных колебаний //, Гц, меньше предельного значения собственной частоты у}. Определяется она по формуле [29] где Wm - нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки, которое зависит от нормального значения ветрового давления, высоты сооружения и типа местности (открытая, равномерно покрытая препятствиями высотой более 10 м, застроена зданиями высотой более 25 м); , - коэффициент динамичности, определяемый по графику на рисунке 3.3 в зависимости от параметра [29] где Vf - коэффициент надежности по ветровой нагрузке, равный 1,4; Wo - нормативное значение ветрового района расположения трубы; fi — коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра.
Свободно стоящие металлические дымовые трубы относятся к сооружениям, которые непосредственно воспринимают многократно действующие нагрузки различного характера, в результате чего в конструкции могут появиться явления усталости. Исходя из этого, их следует проверять расчетом на выносливость. Расчет на выносливость производят по формуле где Rv - расчетное сопротивление усталости, равное для металлических труб 75 МПа; а - коэффициент, учитывающий количество циклов нагружений п: vv - коэффициент, определяемый по таблице 3.2, зависящий от вида напряженного состояния и коэффициента асимметрии напряжений р = omin / отах; o"min, Ощах - соответственно наименьшее и наибольшее по абсолютному значению напряжения в рассчитываемом элементе, вычисленные по его сечению «нетто» без учета коэффициентов динамичности и снижения расчетных сопротивлений, причем при различных напряжениях коэффициент р следует принимать со знаком «минус». Конструкция удовлетворяет требованиям расчета на выносливость, если произведение aRvvv не превышает значения Ru/vu (Ru — расчетное сопротивление стали растяжению и изгибу по временному сопротивлению; vu - коэффициент надежности в расчетах по временному сопротивлению). Коррозийный фактор в работах необходимо учитывать введением в формулу (3.25) коэффициента снижения расчетного сопротивления усталости Кор {Кор 1,0). Тогда условие прочности (3.25) будет иметь вид Наряду с этим необходимо выполнять проверочный расчет на коррозионный износ трубы на основании формулы (3.25) с соответствующей расшифровкой параметра Кн и предельного напряжения: где KHRV - коэффициент использования несущей способности по расчетному сопротивлению усталости Rv. Как было отмечено ранее, при воздействии высоких температур в металле дымовых труб происходит снижение предела текучести в фт раза. С учетом этого фактора и численного интегрирования уравнения (2.3) получена следующая формула для определения долговечности дымовых труб: (3.30) где р, - коэффициент Пуансона; а - коэффициент линейного расширения; Е - модуль упругости. Распределение температурных напряжений показано на рисунке 3.4.
Определение безопасного срока эксплуатации конструктивных элементов с повреждениями при циклическом нагружении
Далее произведем оценку Р с учетом цикличности нагрузок на дымовые трубы.
Как известно, при циклических нагрузках, характерных для многих дымовых труб, происходит явление усталостной повреждаемости металла.
Существующие методы прогнозирования ресурса элементов с учетом циклического нагружения базируются на известном уравнении малоцикловой повреждаемости Коффина-Мэнсона. При этом исходными базовыми параметрами являются амплитуда деформаций єа и относительное сужение ц/. На наш взгляд, такой подход является целесообразным для ограниченных типов конструктивных элементов, для которых возможно определение локальных (в месте дефекта) значений VJ/ и єа. Для конструктивных элементов оценка локального значения єа является проблематичной хотя бы потому, что радиусы закруглений большинства вершин дефектов практически невозможно установить. Поэтому регламентированные методы расчета малоцикловой долговечности труб следует относить к категории теоретических, во всяком случае для объектов дымовых труб.
Сказанное предопределяет изыскание других подходов к оценке долговечности дымовых труб.
Ниже рассмотрены основные закономерности многоцикловой и малоцикловой повреждаемости металла применительно к трубным сталям и с учетом особенностей напряженного состояния металла конструктивных элементов дымовых труб.
Как известно, под усталостью металла понимается степень повреждаемости (ослабления) его структуры в условиях многократного действия напряжений (нормальных, касательных или эквивалентных). При этом, как правило, предельные многократно прикладываемые напряжения для наиболее распространенных углеродистых и низколегированных сталей до 2,5 раз меньше разрушающих напряжений при однократном нагружении. Предельные значения максимальных напряжений цикла (сттах), соответствующие достаточно большому количеству циклов нагружения (базе испытаний, Ng) образцов (детали) без разрушения, принимают за предел усталости (выносливости), обозначаемый символом стг (индекс «г» означает коэффициент асимметрии цикла: г = amjn/amax, где amin - минимальное напряжение цикла). При этом важными параметрами диаграмм циклического нагружения являются размах напряжений Ас = сттах - сттіп; амплитуда переменных напряжений ста = 0,5(сттах - amin); среднее напряжение цикла стт = 0,5 (сттах + amin). При симметричном знакопеременном цикле нагружения (г = -1) предел усталости обозначают через ст.ь Заметим, что для многих сталей ст.] = 0,4ств (ств - временное сопротивление стали). Через ст0 обозначают предел усталости стали при отнулевом (пульсационном) цикле изменения напряжений. Как правило, а0 а.\. В случае, когда металл подвергается действию касательных напряжений (например при кручении), в соответствующих параметрах циклического нагружения вместо символа а подставляют х: т.ь т0, Ат, та, хти др.
Характеристики усталости сталей зависят от абсолютных размеров детали (масштабного фактора Kd); концентрации напряжений (эффективного коэффициента концентрации напряжений Кс); состояния поверхности f3CT; окружающей среды и частоты переменных напряжений v. Для сталей с ав= 400 - 500 МПа масштабный фактор Kd при увеличении диаметра (d) образцов (от d0 = 6,5 мм до d = 100 мм) снижается от 1,0 до 0,7: Kd « 1 - 0,25 g (d - d0). Величина Ka представляет собой отношение предела усталости гладкого образца (а.і) к пределу усталости образца с данным концентратором напряжений (а.ік). Чем больше теоретический коэффициент концентрации напряжений аст, тем меньше предел усталости детали. Как правило, Кст сса: Ка = 1 + q0(aCT - 1), где qc - характеристики стали. Для низкоуглеродистых конструкционных сталей qCT = 0,2 - 0,4. Чем больше qa, тем чувствительнее сталь к концентрации напряжений. Состояние поверхности характеризуется величиной микронеровностей, остаточными напряжениями и свойствами поверхностных слоев. Обычно этот фактор оценивается отношением предела усталости натурной детали ад1к к пределу усталости а.цс Коррозионные среды снижают предел усталости вследствие уменьшения рабочего сечения детали, проявления эффекта Ребиндера, водородного и радиационного охрупчивания стали.
Важным следствием усталости металлов является реализация разрушений элементов при переменных нагрузках в области упругих номинальных (ремонтных) напряжений ан, меньших предела текучести ат. Между тем, известно, что при упругих деформациях металл трудно разрушать даже в условиях многоциклового нагружения. Следовательно, процесс усталости металла следует рассматривать как локальный, развивающийся в микрообластях, в которых возникают микропластические деформации, до наступления общей текучести детали (образца). Этот факт объясняется тем, что металл представляет собой некий конгломерат анизотропных структурных элементов сложной конфигурации с отличающимися механическими и теплофизическими свойствами. При этом наиболее вероятными очагами микропластической деформации являются структурные элементы с острыми углами, имеющие пониженные прочностные и пластические характеристики.
