Введение к работе
Актуальность темы. Трудности настоящего периода развития экономики, препятствующие своевременной реконструкции химического производства, приводят к сильному физическому износу его технологического оборудования, в результате этого процесса происходит ухудшение экологической обстановки в районах с развитой химической промышленностьв. В связи с этим возрастает роль и значения подразделений науки, занимащихся оценкой надежности и прогнозированием долговечности объектов, имеющих важное народнохозяйственное значение, а такке способных представлять угрозу окружагацей среде.
В настоящее время в рамках решения этой проблемы придается большое значение вопросу создания надежных инженерных методов расчета строительных металлических конструкций, находящихся в условиях воздействия агрессивных сред и переменной механической нагру-женности. К такого рода объектам относятся хранилища химических продуктов различного типа (например, кислот, щелочей, аммиака и т.д.) технологические трубопроводы, производственное оборудование. Особое место среди данного вида соорукений занимают резервуары, хранящие концентрированную серную кислоту, ввиду их относительной многочисленности, достаточно больших размеров и довалько-таки значительной экологической опасности, а главное из-за отсутствия надежных методов контроля за их техническим состоянием. Наличие прямого контакта металлоконструкций резервуаров с растворами серной кислоты и ее парами, в условиях отсутствия какого-либо промежуточного слоя, типа футеровочного или плакирующего, а также изменение концентрации хранимого продукта, вызванное нарушением технологии, приводит к быстрому их износу,а вследствие этого, частым авариям. В достаточно большом числе случаев эти аварии происходят в катастрофической форме со значительными финансовыми и экологическими
последствиями. Акселерации деструктивных процессов способствует существование в конструкциях большого числа изначальных дефектов трещиноподобного типа, которые с небольшой степенью допущения могут быть интерпретированы как изначальные трещины. Сочетание их с агрессивным воздействием среды и повторно статическим нагружением вызывает коррозионное растрескивание металла, а в последствии и хрупкое разрушение всего сооружения.
Однако, несмотря на важность проблемы, в настоящее время отсутствует нормированный расчет металлоконструкций таких объектов на малоцикловую прочность и долговечность, что не может не приводить к ошибкам при оценке их ресурса. Вместе с тем отсутствуют данные по условиям эксплуатации этих сооружений, а также экспериментальные данные о коррозионных, циклических и статических свойствах металлов, работающих в условиях воздействия указанных сред.
В связи с этим, актуальной задачей являлось проведение исследований по оценке влияний растворов серной кислоты на коррозионно-механические свойства металлов и их сварных соединений, характерных для листовых конструкций, а также разработка соответствующей расчетной методики.
Цель работы. Экспериментальное определение параметров циклической и статической трещиностойкости сварных соединений строительных сталей в условиях воздействия растворов серной кислоты и применение их в методике расчета прочности и долговечности металлических конструкций сернокислотных резервуаров на стадии роста трещин с исследованием механизма их развития.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проведено научное обобщение современных сведений о коррозионной стойкости, циклической и статической трещиностойкости металлов при воздействии кислот.
Для условий воздействия серной кислоты:
разработана методика испытаний сталей на циклическую и статическую трещиностойкость;
разработана методика оценки величины раскрытия и неполного закрытия коррозионно-усгалостной трещины;
проведена оценка фактического значения коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего распределение напряжений перед вершиной коррозионно-иеханической трещины;
исследованы основные составляющие механизма роста и факторы, влияющие на развитие коррозионно-механической трещины;
разработана методика расчета прочности и долговечности металлических конструкций, работающих при воздействии сернокислотных растворов на стадии развития трещин.
Достоверность научных положений диссертации подтверждена в ходе выполнения хоздоговорных работ по оценке остаточного ресурса сернокислотных резервуаров Воскресенского ПО "Минудобрения", Череповецкого ПО "Аммофос", Мелеузского химического завода.
Личный вклад автора состоит в следующем;
обобщены сведения о причинах аварий, условий их протекания, формах и видах отказов сернокислотных резервуаров;
получены экспериментальные данные по цикличности силовых нагрузок, воспринимаемых резервуарами, о характере изменений температурных напряжений, а также о самих температурных изменениях на поверхности их металлоконструкций;
собраны и проанализированы данные о размерах и характере реальных дефектов, образующихся в результате изготовления резервуаров либо в процессе их эксплуатации;
экспериментально установлены параметры реальной агрессивности среды в локальных зонах сернокислотных резервуаров;
получены статические л циклические характеристики строительных сталей ВСтЗспб и 09Г2С и их сварных соединений в условиях воз-
действия растворов серной кислоты с разным уровнем концентрации, при различных частотах и асимметриях цикла, а также при эксплуатационных температурах;
произведена оценка фактических значений коэффициента интенсивности напряжений в процессе развития корроэионно-механической трещины;
установлено соотношение влияний электрокоррозионного растворения и водородного охрупчивания на ускорение роста коррозионно-усталостной и коррозмонно-сшатической трещины;
экспериментально определены величина закрытия коррозионно-усталостной трещины и характер изменения электропотенциала в ее вершине;
исследовано изменение механических свойств металла сварных соединений или длительной нагруженности и длительном коррозионном воздействии растворов серной кислоты;
изучен характер упругопластического деформирования фрагментов сварных соединений в присутствии сернокислотных растворов;
разработана методика расчета конструкций на коррозионно-ме-ханическую прочность и долговечность в условиях воздействия растворов серной кислоты.
Практическое значение. Результаты исследований позволяют:
прогнозировать с большей достоверностью долговечность объектов, хранящих сернокислотную продукцию;
продлевать срок эксплуатации сернокислотных резервуаров на основе технических освидетельствований с использованием неразрушаю-щих методов дефектоскопии, проводимых без остановки производства;
проводить необходимые мероприятия, увеличивающие время безаварийной работы существующих резервуаров и повышающие надежность вновь проектируемых.
Внедрение результатов. Методика расчета прочности и долговечности листовых металлических конструкций, работающих в условиях воздействия сернокислотных сред, нашла свое практическое применение при оценке срока службы сернокислотных резервуаров.
Апробация работа. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Ш Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения "Трещиностойкость материалов и элементов конструкций" в г.Житомире в 1990 г., на Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" в г.Сумы в 1991 г., на Всесоюзной конференции "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса" в г.Кемерове в 1988 г., на Всероссийской научно-технической конференции "Прочность и живучесть конструкций" в г.Вологде в 1993 г., на Всероссийской конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" в г.Кемерове в 1994 г,
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 255 стр. машинописного текста,145 рисунков, 14 таблиц и 116 наименований литературных источников.
На защиту выносятся следующие положения диссертации.
-
Результаты экспериментальных исследований, раскрывающие механизм развития коррозионно-механической трещины в условиях воздействия растворов серной кислоты различной концентрации.
-
Результаты экспериментальных исследований циклической и статической трещиностойкости основных зон сварного соединения, полученные при влиянии сернокислотных растворов.
-
Расчетно-экспериментальная методика определения прочности и долговечности элементов металлических конструкций, эксплуатируе-
мых при воздействии серной кислоты.