Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих норм и требований попроведению освидетельствований котлов и сосудовподдавлением в эксплуатации 16
1.1 Анализ требований классификационных обществ по проведению освидетельствований котлов и сосудов под давлением в эксплуатации 17
1.2 Анализ требований надзорных организаций к выбору величины пробного давления 23
1.3 Оценка величины средних напряжений, возникающих в конструкциях котлов и сосудов под давлением при гидравлических испытаниях 32
Глава 2. Анализ аварийности котлов и сосудов поддавлением с классом регистра в 1980-2003г 40
2.1 Дефекты и конструктивные недостатки котлов и их элементов,выявленные в процессе эксплуатации 43
2.2. Классификация отказов. Идентификация основных деградационныхпроцессов в судовых котлах 56
2.2.1 Коррозия 57
2.2.2 Усталость 62
2.2.3 Малоцикловая термическая усталость 66
Глава 3. Оценка влияния гидравлических испытанийна ресурс котлов и сосудов под давлением 75
3.1 Кинетика разрушения элементов котлов и сосудов под давлением 82
3.2 Напряженное состояние материалов при гидравлических испытанияхс позиций механики разрушения 94
Глава 4. Исследование напряжённого состояниятиповых конструкций методом конечных элементов . 118
4.1 Описание метода расчёта. Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых конструкций 118
4.2 Проверка адекватности полученных результатов 129
Заключение 144
Список использованных источников 147
Приложение 1.
- Анализ требований надзорных организаций к выбору величины пробного давления
- Классификация отказов. Идентификация основных деградационныхпроцессов в судовых котлах
- Напряженное состояние материалов при гидравлических испытанияхс позиций механики разрушения
- Проверка адекватности полученных результатов
Введение к работе
з
Актуальность работы. Проблема использования судовых котлов и сосудов под давлением (СПД), срок эксплуатации которых 20 лет и более, становится всё более актуальной в связи с увеличением возраста судов морского флота, находящихся в эксплуатации. На каждом судне эксплуатируются несколько сосудов под давлением и на большинстве один или более паровых котлов, которые представляют потенциальную опасность и требуют пристального внимания судового персонала как в период эксплуатации, так и при проведении предремонтных дефектаций.
Безопасная работа эксплуатирующихся котлов и сосудов под давлением зависит от двух основных факторов:
-
обеспечения правильного обслуживания в соответствии с инструкцией по эксплуатации;
-
своевременного определения предельного состояния объекта.
В сложившейся практике эксплуатации судовых котлов и СПД для оценки их технического состояния используются периодические наружные и внутренние осмотры (освидетельствования) и гидравлические испытания. К недостаткам этих методов следует отнести в первую очередь недостаточное количество информации для оценки фактического технического состояния и возможный вред, который наносится конструкции при опрессовке котла и сосуда под давлением. Основной целью гидравлических испытаний является проверка прочности изделий и сборочных единиц (узлов). При этом предполагается, что имеющиеся в материалах изделия дефекты, являющиеся источником возникновения трещин при механическом нагружении должны проявиться при повышении давления в виде сквозных трещин. В работе исследованы факторы, влияющие на эффективность проведения гидравлических испытаний. Интенсивность основных деградационных процессов, протекающих в котлах и СПД, зависит от величины механических напряжений в металле. Это делает актуальной задачу для повышения эффективности предремонтной дефектаций более точного определения мест наибольшей концентрации напряжений.
Для решения вышеуказанных задач в данной работе выполнены расчёты типовых узлов и конструкций методом конечных элементов, позволяющие определять поля напряжений, места и величины наибольших концентраций напряжений. Определение мест наибольшей концентрации напряжений позволяет сосредоточить внимание при освидетельствовании и дефектаций на наиболее
напряжённых местах этих конструкций, уменьшить объём
дефектации и повысить её результативность.
Цель и задачи исследования. Целью работы является увеличение ресурса и повышение безопасности судовых котлов и сосудов под давлением за счёт применения технологий, повышающих эффективность технического обслуживания и предремонтной дефектации, более экономично расходующих их ресурс.
Цель работы состоит в исследовании и научном обосновании применения более совершенных технологий ведения технического наблюдения и надзорной деятельности для повышения безопасности судовых котлов и сосудов под давлением в эксплуатации и продления их срока службы. Кроме того, в результате совершенствования технических требований Регистра, произошло уменьшение затрат судовладельцев на поддержание судовых котлов и сосудов под давлением в безопасном состоянии. Для этого решены следующие задачи:
проведён анализ требований по надзору за судовыми котлами и
сосудами под давлением отечественных и зарубежных
классификационных обществ;
собран и проанализирован технический материал по аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра;
проведён анализ влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением на основе законов механики разрушения;
сформулированы и описаны математически условия, при которых во время гидравлических испытаний происходит начало роста трещин (условие старта трещин) и условия, при которых происходит прекращение роста трещин до их выявления (условие остановки трещин);
выполнены расчёты с использованием метода конечных элементов (МКЭ) и исследовано напряжённо-деформированное состояние в типовых узлах котлов и сосудов под давлением для определения наиболее слабых мест конструкций;
проведена сравнительная оценка результатов расчётов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и данных тензометрирования подобных конструкций и результатов аварий аналогичных конструкций для оценки адекватности. Метод исследования — в работе использован расчётно-теоретический метод с привлечением для апробации данных тензометрирования и аналитического исследования причин аварий котлов и сосудов под
5
давлением. Для решения поставленных задач применялись:
теоретический анализ проблемы, исследование данных по авариям, численное моделирование на ЭВМ с помощью (МКЭ). Научная новизна работы:
впервые произведен анализ данных по аварийности котлов на судах с классом Регистра за период 1980 - 2003 гг.;
впервые разработана методика предварительного определения участков наиболее вероятного появления усталостных и коррозионных дефектов на основе расчёта типовых конструкций котлов и сосудов под давлением методом конечных элементов;
впервые разработаны и сформулированы условия старта и остановки роста трещиноподобных дефектов в процессе проведения гидравлических испытаний, которые являются условием обнаружения дефекта при гидравлических испытаниях.
Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований
разработаны нормативные технические требования, направленные на
продления срока службы судовых котлов и сосудов под давлением.
В частности снижено давление гидравлических испытаний и
исключены требования об обязательном периодическом проведении
гидравлических испытаний, что включено в Правила
классификационных освидетельствований судов Регистра и в Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации.
По результатам исследования разработан и рекомендован к применению при предремонтной дефектации и освидетельствованиях котлов и сосудов под давлением "Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением ". Основные положения выносимые на защиту:
комплекс научно обоснованных рекомендаций по повышению эффективности процесса технического наблюдения за эксплуатацией судовых котлов и сосудов под давлением;
научное обоснование технических предложений по изменению требований Регистра по проведению гидравлических испытаний судовых котлов и сосудов под давлением;
условия обнаружения дефектов во время гидравлических испытаний: условия начала роста и отсутствия остановки трещиноподобных дефектов в зависимости от величины концентрации напряжений и пробного давления, сформулированные на основе положений механики разрушения.
6
Апробация работы. Основные положения и результаты
проведенных исследований отражены в 10 публикациях, обсуждались
на конференции по строительной механике корабля, посвященной
памяти академика Ю.А.Шиманского (ФГУП ЦНИИ имени академика
А.Н.Крылова, ВНТО имени академика А.Н.Крылова, Санкт-Петербург,
2003); на конференции посвященной 300-летию Адмиралтейских верфей
(Санкт-Петербург, 2004); на заседании секции "Судовые котлы, системы,
холодильные установки" Научно-Технического совета Регистра; на
семинарах главных инженеров-инспекторов по механической
специальности в Главном управлении Регистра (Санкт-Петербург, 2000
и 2003). Примером применения результатов работы на практике может
служить освидетельствование с использованием Альбома напряжённо-
деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов
под давлением, проведённое в рамках рассмотрения проекта болгарской
фирмы «Булхелинг ООД», в котором планировалось использование
железнодорожных цистерн в качестве грузовых ёмкостей
танкера-газовоза для перевозки пропан-бутана.
Реализация результатов исследования. Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы :
в Правилах технического наблюдения за судами в эксплуатации Российского морского регистра судоходства 2004 года издания;
в Альбоме напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением, включённом в Сборник нормативно-методических материалов Российского Морского Регистра Судоходства. Кн. 14, изданном в 2004 году;
в материалах технической учёбы в рамках семинара главных инженеров-инспекторов по механической специальности в 2003 году. Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, включает 146 страниц машинописного текста, в том числе 51 рисунков, 9 таблиц, библиографии из 83 наименований. Структурно-логическая схема исследования приведена на рис. 1.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы нашли отражение в 10 публикациях (см. перечень в конце автореферата) и положены в основу нормативно-методических документов Регистра.
Анализ требования
Российского Морского
Регистра судоходства и других
классификационных обществ
Анализ аварийности котлов и сосудов под давлением с классом Регистра в 1980-2003г.
Аварии, связанные
с утечками опасных веществ
Идентификация
опасностей при
эксплуатации судовых
котлов и сосудов под
давлением
Аварии, связанные с
потерей хода и
невозможностью
разгрузки, ремонтом
Формализованная
оценка безопасности
аммиачных
холодильных установок
Взрывы котлов и СПД. Определение деградационных процессов, приводящих к взрывам
Исследование
напряжённого состояния
типовых конструкций
методом конечных
элементов
Обоснование
отмены
проведения
периодических
гидравлических
испытаний
Аварии,
связанные с
коррозионным
износом
Определение точек
максимальной
концентрации
напряжений
Альбом
напряжённого
состояния типовых
конструкций
Уменьшение затрат на
дефектацию, ремонт и
испытания котлов и
сосудов под
давлением
Аварии,
связанные с
термическими
напряжениями
Аварии, связанные
с колебаниями
давления
Определение узлов
возникновения
малоцикловой усталости
на основе исследования
аварийных случаев
Рекомендации по устранению конструктивных недостатков
Увеличение срока
службы судовых
котлов и сосудов
под давлением
Рекомендации по изменению требований Правил PC
Рис.1 Схема исследования
Анализ требований надзорных организаций к выбору величины пробного давления
Гидравлические испытания изделий и сборочных единиц (узлов) и объектов в целом производятся с целью проверить: -прочность материалов деталей и сварных соединений; -герметичность всех соединений в сборочных единицах и объектах в целом. В первом случае пробное давление должно быть таким, чтобы можно было выявить максимальное количество внутренних дефектов материала. Поскольку в процессе производства материалов и деталей осуществляется тщательный контроль качества различными методами неразрушаюшего контроля, то вероятность обнаружения дефектов больших размеров в период гидравлических испытаний весьма мала. Так, все физические методы дефектоскопии (радиационный, акустический, магнитный и др.) имеет примерно одинаковую чувствительность к размерам выявляемых дефектов: длина 0,1 мм, глубина 0,01 мм, ширина 0,001 мм. Высокое качество предварительного контроля подтверждается и практикой: при гидравлических испытаниях в период изготовления, наладки и пуска выявляется менее 1% технологических дефектов [17, 20]. Из сказанного следует, что при проверке прочности материалов деталей в период гидравлических испытаний напряжения должны достигать предела текучести, когда проявляются даже относительно небольшие дефекты, при этом, часть дефектов не выявляется, но инициируется и в последующем может вызвать разрушение изделия уже в период приработки (от 3 до 11% [20,30,35] всех отказов за этот период). Поэтому выбор пробного давления при испытаниях на прочность всегда связан с решением задачи: выявить максимум дефектов при одновременном обеспечении надежной работы в дальнейшей эксплуатации. Это исключительно сложная задача до настоящего времени не решена полностью.
В то же время вторая цель гидравлических испытаний - проверка герметичности соединений - достигается сравнительно просто выбором пробного ,-давления превышающим на 20-30% рабочее. Это проверено практикой и нашло свое выражение во всех документах технического надзора.
Таким образом, основное внимание должно быть уделено вопросу выбора пробного давления при испытаниях на прочность. Это отразилось и в рекомендации нормативных документов по надзору. Так, в стационарной ГОСТ 22161 -76 "Машины, механизмы, паровые котлы, сосуды и аппараты судовые. Нормы и правила гидравлических и воздушных испытаний" [14] рекомендует выбирать пробное давление в зависимости от Ррасн и tp по таблицам, составлении по зависимостям, подобным (1.1), но с некоторыми поправками (в стандарте не указанными). Действительно, для диапазона температур от -40 до +150 С пробное давление равно примерно 1,5 Рр, а для более высоких температурах вводится некоторый множитель, подобный отношению пределов текучести в формуле (1л). При этом делается оговорка, что если при выбранном по таблице Рпр напряжения в материале превысят 0,Роу то для определения пробного давления рекомендуется формула (1.1), в которой RCL/350 заменяется на R«L/IOO- Иными словами, требования ГОСТ 22161 -76 по своей сущности мало чем отличается от требований Правил PC за исключением того, что в ГОСТ 22161-76 приведена таблица, в которой даны рекомендации по выбору пробного давления для испытаний на прочность деталей котлов (трубы и змеевики) до сборки их в узлы.
Величина пробного давления при гидравлических испытаниях определяется классификационными обществами по разному:
По-Правилам Регистра пробное давление для котлов и их элементов, теплообменных аппаратов (ТА) и сосудов под давлением (СПД) принимается в зависимости от рабочей температуры и доступности для осмотра. При этом котёл, теплообменный аппарат и сосуд под давлением считается доступным для полного внутреннего освидетельствования в случае если любой элемент диаметром более 200 мм доступен для осмотра с двух сторон. Требования
Правил Регистра по величине пробного давления при гидравлических испытаниях сведены в таблицу I -1. где 5 - толщина стенки , мм; [5о], [0[] - допускаемые напряжения соответственно при 50 С и рабочей температуре. при условии, что основные части котла (барабаны, коллекторы) испытаны на давление 1,5р.
Классификация отказов. Идентификация основных деградационныхпроцессов в судовых котлах
На основе выполненного анализа разработана следующая классификация отказов в судовых котлах: 1. По характеру повреждений в результате отказа: Л Взрыв по причине высокого давления; .2 Взрыв в топке в результате образования взрывоопасной смеси; .3 Оплавление поверхностей нагрева; .4 Разрушение отдельных элементов (трещины, свищи, разрушение кирпичной кладки и др.); .5 Нарушение герметичности соединений. 2. По времени восстановления: .1 Невозможность восстановления; .2 Возможно только в условиях судоремонтного предприятия; .3 Возможно в рейсе. 3. По последствиям аварии можно подразделить на : .1 Вред от возможной временной потери хода и, как следствие возможность потери судна. .2 Вред от невозможности обогревания груза и, как следствие произведения разгрузки (для танкеров). .3 Пожар в машинном отделении и, как следствие возможность травм членов экипажа. А Травмы и смертельные случаи в результате взрыва котла и разрушений в машинно-котельном отделении. 4. По виду физического процесса, вызвавшего отказ: .1 [Усталостное разрушение материалов, обусловленное наличием циклических колебаний напряжений в деталях; .2 Разрушение материалов в результате малоцикловой усталости; .3 Коррозионное разрушение материалов; .4 Потеря прочности материала при рабочем давлении из-за наличия различных дефектов, появившихся в процессе изготовления и монтажа; .5 Потеря прочности по причине перегрузок, вызванных неверными ЇЇ действиями экипажа; .6 Разупрочнение материала вследствие перегрева. Наибольший интерес вызывает классификация отказов по виду физического процесса, который привёл к отказу. Рассмотрев шесть групп отказов, согласно предложенной классификации, можно отнести к основным деградационным процессам только первые три. Отказы пятой и шестой группы связаны с неверными действиями экипажа, носят случайный характер и поэтому их нельзя отнести к основным деградационным процессам. Отказы четвертой группы так же связаны с человеческим фактором. Кроме того, после достаточно длительной эксплуатации котлов и СПД можно считать, что технологические дефекты, появившиеся в процессе изготовления уже проявили себя, что чаще всего случается в первые 1, 2 года эксплуатации.
Таким образом по данным аварийности котлов и сосудов под давлением можно выделить три основных деградационных процесса, протекающие в котлах и сосудах под давлением: - малоцикловая термическая усталость; - усталость от колебания внутреннего давления; - коррозия. Выделенные процессы достаточно хорошо изучены и, поэтому из литературы можно почерпнуть параметры, влияющие на скорость протекания деградационных процессов в узлах котлов. 2.2.1 Коррозия Исследованиям механизма коррозии в котлах посвящено множество работ [1,2,4,5,25,62], из которых можно выделить основополагающие факторы, обусловливающие скорость её протекания, характерные черты и влияние этих факторов на локализацию мест коррозионных повреждений. В настоящее время достоверно установлено, что в котлах и сосудах под давлением могут протекать химическая и электрохимическая коррозия. Химическая коррозия - в котлах, вызванная горячей водой, паром и дымовыми газами, разрушает металл равномерно по всей поверхности контакта с этими агрессивными средами. Продуктами коррозии в этих средах является окалина (оксиды). Электрохимическая коррозия - в основе механизма электрохимической коррозии лежит влияние разности потенциалов между отдельными участками металла, которая обусловливает появление микрогальванопары в водном растворе электролитов и тем самым поддерживающих высокую разность потенциалов в микрогальванопарах и, следовательно, ЭДС. Факторы, обуславливающие скорость коррозии обычно делят на внутренние и внешние [25]. К внутренним относятся: 1. Химический состав металла. Котлы и СПД обычно изготовлены из однородного материала и поэтому этот фактор не оказывает влияние на неоднородность протекания коррозии. 2. Структура металлов. Нарушение режимов термообработки может стать причиной межкристаллической коррозии. Наиболее вероятно её возникновение в районе сварных швов без термообработки. 3. Чистота поверхности металла. Отмечено, что в местах с большей шероховатостью скорость коррозии больше, однако в котлах это не имеет сколько-нибудь существенного значения и практически не влияет на неравномерность протекания коррозии. 4. Внутренние напряжения и деформация, возникающие в результате технологических процессов становятся причиной ускорения коррозии. Под влиянием неравномерного поля напряжений равномерная коррозия переходит в неравномерную, межкристаллическую или в коррозионное растрескивание. 5. Влияние продуктов коррозии - при избытке в воде растворенного кислорода он оказывает активное пассивирующее (положительное) воздействие на всю поверхность, образуя с железом сталей прочную оксидную защитную пленку. Появление на поверхности оксидных пленок или прочных отложений будет резко снижать активность кислорода и, следовательно, коррозию. Вымывание продуктов коррозии с поверхности становится заметным при скоростях турбулентного потока выше 4 ...6 м/с. Однако существуют факторы, способствующие разрушению оксидной пленки - вибрация, абразивный износ твердыми частицами, кавитационная эрозия, знакопеременные термические и механические напряжения. В зонах действия указанных факторов оксидная плёнка разрушается, а скорость коррозии увеличивается. Наиболее благоприятные условия для одновременного протекания разных видов коррозии создаются на поверхности под слоем накипи, шлама, отложений золы (например, на горизонтальных трубных досках, огневых и топочных камерах, жаровых трубах, нижних днищах, связях, форсуночных патрубках, в водяных коллекторах водотрубных котлов и др.). Здесь, как правило, идет химическое разрушение оксидных пленок под действием щелочи или пароводяной коррозии при упаривании воды под слоем, а затем и образование микрогальванопар с соответствующими последствиями. Подобная смешанная коррозия характерна для огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлов. К внешним факторам, обуславливающим скорость коррозии относятся: 1. Химический состав среды - коррозионную агрессивность питательной воды характеризуют свойства воды, кислородосодержание и содержание окислов железа и меди. Кроме того повышенное содержание в воде солей и масла приводит к появлению накипи и перегреву металла, а также к интенсивному протеканию подшламовой и кислородной коррозии. Качество, котловой воды практически одинаково по всему объёму, влияние этого фактора на вероятность появления усталостных трещин в том или ином месте можно не учитывать. 2. Температура влияет на кинетику процессов переноса и химических реакций, однако с учётом того, что в котловой воде температура
Напряженное состояние материалов при гидравлических испытанияхс позиций механики разрушения
В котле или сосуде под давлением (СПД) дефект может возникнуть в процессе изготовления или монтажа. Если дефект материала достаточно велик и определённо ориентирован, а локальное напряжённое состояние, в котором он находится, имеет достаточно высокий уровень, он может вызвать неустойчивое быстро развивающееся разрушение. Тогда можно сказать, что дефект критический, и котёл или СПД может разрушиться при первом же приложении нагрузки во время пробного гидравлического испытания после изготовления. Другие дефекты являются докритическими и не обнаруживаются при проведении неразрушающего контроля и пробного испытания давлением. Эти дефекты могут быть очень малы и не нарушают условия эксплуатации конструкции. Однако они могут увеличиваться в процессе эксплуатации в результате действия коррозии или изменяющегося локального напряжения стать критическими и инициировать быстрое неустойчивое разрушение.
В общем случае разрушение материалов с дефектами представляет собой кинетический процесс, развитие которого зависит от величины напряжения, вида напряженного состояния, температуры, размеров детали, наличия исходных дефектов, свойств материалов и продолжительности приложения нагрузки [10,16,55,58].
Для сплавов на основе железа в связи с присущими им свойствами хладноломкости основным фактором появления хрупких и квазихрупких состояний является температура, что хорошо иллюстрируется принципиальной схемой (рис.3.2) существования различных областей разрушения материалов. Эта схема иллюстрирует процессы в сталях, не имеющих дефектов (т.е. без исходных трещин). Существует две граничных температуры, разделявших области вязкого, квазихрупкого и хрупкого разрушений. Температура Ткр1 характеризует переход от разрушений вязких, сопровождающимися значительными общими пластическими деформациями в месте излома, к разрушениям квазихрупким, сопровождавшимися в основном лишь местными деформациями. Для большинства углеродистых и низколегированных сталей критическая температура Ткрі меньше 10-15 С, что хорошо видно на примере графиков для стали 22К (рис.3.3). Следует помнить, что критическая температура Ткрі для материалов определяется для стандартных образцов, в то время как для реальных котлов и сосудов под давлением она будет выше на некоторую величину ДТ. В работе [32] в виде графиков приводятся полученные экспериментально данные о зависимости ДТ от реальных размеров, концентрации напряжений и способа приложения нагрузки на основе которых можно оценить сдвиг критической температуры для судовых котлов и сосудов под давлением при проведении гидравлических испытаний не менее 20С.
Так как гидравлические испытания проводятся при температурах 15-25С, то состояние материалов (сталей) при этом близко к квазихрупкому и описывается зависимостью вида трещины к размерам детали, то при прочих равных условиях критическое напряжение акр тем меньше, чем больше размеры изделия (т.е. чем больше величина напряженных объемов).
Влияние толщины сечения проявляется двояко: с одной стороны, наблюдаются металлургические изменения по толщине, с другой стороны геометрическое стеснение деформаций в направлении толщины. Оба фактора оказывают влияние на инициирование и распространение разрушения, но, несомненно, в различной степени.
Для элементов сосудов под давлением цилиндрической формы главными, как известно, являются окружные напряжения. Поэтому наиболее опасными являются продольные трещины (внутренние иди наружные), основным размером которых является глубина трещины. Для тонкостенных сосудов под давлением условия нагружения в районе трещины можно рассматривать (с известной долей приближения) как растяжение плоской пластины. Тогда функция / (I) для пластины толщиной 8 с несквозной трещиной глубиной / при растяжении может быть определена по формуле
Из анализа формул (3.2.2) и (3.2.3) вытекает, что для реальных изделий Ь поперечным сечением F величина критического напряжения при квазихрупком разрушении может быть определена по формуле
Влияние толщины сечения проявляется двояко: с одной стороны, наблюдаются металлургические изменения по толщине, с другой стороны — геометрическое стеснение деформаций в направлении толщины. Оба фактора оказывают влияние на инициирование и распространение разрушения, но, несомненно, в различной степени.
Трудность использования этой формулы заключается в том, что в практике расчетов больших сосудов под давлением невозможно оценить площадь сечения F, которая была бы подобной (по условиям приложения нагрузки) площади сечения стандартного образца Fs . Для качественного анализа будем принимать Fs= 100 мм2 , а площадь F=I04 - - 105 мм2 последняя оценивалась как произведение Lx8, где активная длина цилиндрической части принималась равной примерно двум длинам раскрывшимся трещин, наблюдавшихся при авариях СПД, т.е. от 150 до 1500 мм. При таком допущении первый множитель в (3.2.5) будет равен 0,8. Выбор допустимого размера исходных трещин ls тоже представляет определенные трудности. Действительно, если ориентироваться на 100%-ный контроль сплошности материалов методами неразрувающего контроля, то /j =0,1 мм. Но так как сплошной контроль выполняется не всегда, то следует ориентироваться на то, что в металле (в частности, в сварных швах [11,20]) допускается некоторое наличие дефектов размерами, не превышающих в среднем 10% от толщины стенки, т.е. 0,15 . Последнее будет считать допустимой трещиной ls.
Исходя из этих допущений по формулам (3.2.3)-(3.2.5) в работе [17] построены графики зависимости aKp/ TB=f(I/S,F) (рис.3.4) для углеродистых и низколегированных сталей, которыми можно воспользоваться для котельных сталей с учетом того, что гидравлические испытания проводятся при температурах, близких к Ткр т.е. при условии наиболее "жестких" испытаний. Автор произвёл самостоятельно расчёт по формулам (3.2.3)-(3.2.5) для двух значений временного сопротивления, результаты которого проводятся на рис. 3.5 и 3.6 и вполне совпадают с данными в работе [17]. Графики 3.5 и 3.6 в силу относительности координат имеют универсальный характер. В то же время следует помнить, что в реальных условиях изделия работают при более высоких температурах (значительно больших tKp) для которых характерны более высокие критические напряжения укр , а разрушение вязкое. Это означает, что при рабочих напряжениях допустимы размеры исходных дефектов больше принятых при расчетах. Это, кстати, подтверждается практикой - в изделиях всегда существуют дефекты размерами (0,1-0,2)5, но работают изделия надежно в течение всего срока службы (если, конечно, не нарушаются Правила технической эксплуатации). Изложенное выше относится в основном к изделиям с отношением S/DH Q,Q5. Для труб с толщиной стенки до 8-Ш мм эти выводы также справедливы при условии, что критическое напряжение а , будет на 15-20% увеличено по сравнению с данными графиков рис.2.3, т.е. в этом случае влияние величины напряженных объемов (первый сомножитель в (2.5)) можно считать несущественным.
Проверка адекватности полученных результатов
Проверка правильности полученных картин распределения напряжений проводилась путём сравнения с данными тензометрирования, опубликованными в справочнике Р. Петерсона " Коэффициенты концентрации напряжений" [44]. Для проведения сравнения была выполнена серия из 6 расчетов торосферических днищ, параметры которых приведены в таблице 4.2 (Ь -характерный размер конечного элемента). Параметры выбирались из условия наличия данных по тензометрированию таких днищ в справочнике [44]. Расчеты проводились с помощью программ ANSYS и ИСПА по идентичным расчетным схемам. Результаты счета показаны на рис. 4.9 - 4.20. В таблице 4.2 приведены максимальные значения полученных эквивалентных напряжений. Проверка правильности полученных картин распределения напряжений проводилась путём сравнения с данными тензометрирования, опубликованными в справочнике [44] и показала для элементов котлов и сосудов под давлением достаточно хорошее совпадение результатов расчёта с данными тензометрирования. Коэффициенты концентрации напряжений, полученные на основе данных тензометрирования торосферических днищ отличаются от коэффициентов концентрации напряжений, полученные в результате расчета не более чем на 10% (см. рис. 4.22). В справочнике "Сосуды и трубопроводы высокого давления" [61] приводятся данные тензометрического исследования в узле штуцера толстостенного цилиндра при отношении внутренних диаметров oVD=0,5. Наиболее интересными результатами этих исследований является то, что точка максимальных значений напряжений находится не в плоскости осей штуцера и корпуса, а в плоскости, проходящей через ось штуцера и образующую угол 10-20 с плоскостью осей корпуса и штуцера, что соответствует картине напряжений, полученной в результате расчёта МКЭ (см. п. 6.1 таблицы 4.1). Рис.4.21. Коэффициенты концентрации напряжений на основе данных тензометрирования торосферических днищ, приведённых в [44] a) s 24 Применение разработанного альбома при проведении дефектации позволит более результативно проводить дефектоскопию судовых котлов и сосудов под давлением, увеличить вероятность выявления дефектов в их наиболее нагруженных элементах при проведении внутренних и наружных освидетельствований. Примером применения альбома на практике может служить освидетельствование, проведённое в рамках рассмотрения проекта использования железнодорожных цистерн для перевозки пропан-бутана в качестве грузовых ёмкостей танкера-газовоза. Болгарская фирма «Булхелинг ООД» планировала произвести переоборудование сухогрузного судна типа «река-море» в танкер-газовоз, установив на нём железнодорожные цистерны для перевозки пропан-бутана в качестве грузовых ёмкостей. Принципиальным вопросом проекта было использование после 141 соответствующей доработки имеющихся в наличии у фирмы железнодорожных цистерн, бывших ранее в эксплуатации. Фирма «Булхелинг ООД» пригласила представителя Главного Управления Регистра для освидетельствования, определения объёма испытаний железнодорожных цистерн и решения других вопросов в г.Руса, (Болгария). В период 9-Ю января 2002 г. автором было проведено освидетельствование железнодорожных цистерн №№ 7912782-9 (зав.№4122) и 7912739-9 (зав.№4660К) с использованием Альбома [68] для определения возможности дальнейшего использования. Результаты следующие: 1. При внутреннем осмотре цистерн каких-либо видимых дефектов, непроваров и следов язвенной коррозии не обнаружено. Сварные швы выполнены двусторонными с полным проваром. Каких-либо следов трещин в сварных швах не обнаружено. Основной металл корпуса цистерн внутри следов язвенной коррозии не имеет. В районе днищ обеих цистерн с внутренней стороны в районе области максимальной концентрации напряжений (см. п. 14 Альбома [68]) имеются следы коррозии в виде пятен диаметром 20 - 50 мм глубиной не более 0,1 - 0,2 мм. Наиболее серьёзной проблемой, данного проекта является оценка остаточного срока эксплуатации железнодорожных цистерн. Поскольку в настоящее время в нормативных документах Регистра отсутствуют требования и методика расчёта котлов и сосудов под давлением на малоцикловую усталость был произведён расчёт согласно Приложения 3 «Методика поверочного расчёта на усталость» к [37] ОСТ 108.031.09-85 Котлы стационарные и трубопроводы пара и горячей воды. Нормы расчёта на прочность. Расчёт показал достаточный ресурс для дальнейшей эксплуатации. В настоящее время рассматривается вопрос о возможности разработки Регистром собственной методики расчёта на усталость котлов и сосудов под давлением. Выводы по четвертой главе: Проведен численный эксперимент по определению зон наибольшей концентрации напряжений в типовых узлах судовых котлов и сосудов под давлением, который показал: 1. При варьировании соотношений геометрических размеров зоны максимальной концентрации напряжений не меняют своё местоположение, изменяется только величина концентрации напряжений. 2. Некоторые элементы котлов и сосудов под давлением имеют две зоны концентрации напряжений. При варьировании соотношения геометрических размеров положение зон концентрации напряжений в таких элементах не меняется, но максимум концентрации напряжений может переходить из одной зоны в другую. 3. Постоянство положения зон концентрации даёт возможность использовать проведённые расчёты в альбоме напряжённо-деформированного состояния типовых конструкций. 4. Сопоставление величины коэффициентов концентрации напряжений, полученных в результате расчёта с помощью программ ИСПА и ANSYS, с данными тензометрирования показали хорошее совпадение результатов. 5. Сопоставление полученных данных с данными по авариям котлов и сосудов под давлением показал совпадение мест разрушения с зонами наибольшей концентрации напряжений, полученных расчётом. 6. Распределение напряжений, показывает, что наиболее опасный сценарий разрушения материала, описанный в главе 3, при котором скорость роста трещины в окружном направлении значительно больше, чем в радиальном направлении, что приводит к потере общей прочности и последующему взрыву и может быть реализован в большинстве исследуемых конструкций.
