Расчет пластин и оболочек с учетом повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 539. 2
РАСЧЕТ ПЛАСТИН И ОБОЛОЧЕК С УЧЕТОМ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ Белов А. В., Поливанов А. А., Попов А. Г.
Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета, Камышин Подробная информация об авторах размещена на сайте «Учёные России» — http: //www. famous-scientists. ru
На основе системного подхода разработана методика решения комплексной задачи по оценке прочности и долговечности многослойных стальных оболочек вращения и пластин с учетом необратимых деформаций, повреждаемости материалов вследствие ползучести и высокотемпературной водородной коррозии.
1. Введение
В настоящее время в химической промышленности и энергетике широко применяются элементы стальных конструкций, выполненные в виде однослойных и многослойных оболочек вращения. Такие конструкции в процессе эксплуатации могут подвергаться воздействию силовых и тепловых нагрузок, а также различных агрессивных сред, вызывающих коррозию материала. При этом достаточно распространенным видом коррозии является высокотемпературная водородная коррозия сталей. Воздействие водорода на стальные конструкции может приводить к обезуглероживанию материалов, из которых они изготовлены, что проявляется в существенном снижении их жесткости, мгновенной и длительной прочности и пластичности. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем выше температура, давление водорода и уровень действующих напряжений. Подобная деградация механических свойств материалов вследствие водородной коррозии существенно ослабляет конструкцию и может привести к возникновению в зонах концентрации напряжений пластических деформаций и развитию деформаций ползучести и в конечном итоге к нарушению несущей способности конструкции в целом. Поэтому, для достоверной оценки работоспособности конструкций, находящихся в условиях термосилового нагружения и воздействия водородосодержащей среды необходимо иметь возможность
численного моделирования изменения их напряженно-деформированного состояния с одновременным учетом всех действующих факторов.
Наиболее продуктивным подходом к решению таких задач с точки зрения эффективности и достоверности получаемых результатов является подход, заключающийся в поэтапном их решении. При этом на первом этапе задача решается в достаточно простой постановке (с учетом отдельных факторов воздействия) и после анализа полученных результатов осуществляется переход к ее решению в более сложной постановке. В итоге выполняется расчет с учетом всех действующих факторов и особенностей поведения материала. В ходе поэтапного решения задачи на основе анализа получаемых результатов могут выбираться модели и гипотезы, наиболее адекватно описывающие закономерности поведения материала применительно к рассматриваемым условиям нагружения.
2. Методика расчета оболочек вращения
Для определения несущей способности и долговечности конструкций в виде тонких однослойных и многослойных оболочек вращения будем использовать методику расчета, разработанную авторами и изложенную в работах [1, 2, 3]. Данная методика позволяет исследовать историю изменения осесимметричного упругопластического напряженно — деформированного состояния однослойных и много-
слойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материалов при ползучести и оценивать их несущую способность и долговечность.
При этом решение поставленной задачи возможно в следующих постановках:
• Термоупругая постановка задачи.
• Термоупругопластическая постановка задачи.
• Термовязкоупругопластическая постановка задачи без учета повреждаемости материалов при ползучести.
• Термовязкоупругопластическая постановка задачи с учетом повреждаемости материалов при ползучести.
• Термовязкоупругопластическая постановка задачи с учетом повреждаемости материалов при ползучести и с исследованием стадии распространения разрушения.
Кроме того, каждая из приведенных постановок задачи предполагает возможность учета высокотемпературной водородной коррозии.
3. Учет высокотемпературной водородной коррозии
Учет влияния высокотемпературной водородной коррозии на механические свойства материалов осуществляется с использованием одной из трех моделей воздействия на оболочку водородосодержащей среды [5]:
3.1. Упрощенная модель химического взаимодействия
Предполагается, что влияние водорода, контактирующего с материалом конструкций, проявляется по истечении определенного времени, называемого инкубационным периодом, длительность которого определяется с помощью следующего соотношения:
4нк= т р и ехр (В/Т),
(1)
где р — парциальное давление водорода, МПа- Т — температура- т, и, В — некоторые константы, экспериментально определяемые для различных марок стали.
После завершения инкубационного периода начинается интенсивное обезуглероживание материала конструкции, со-
провождающееся ухудшением его механических свойств. При этом механические свойства материалов могут существенно изменяться. Этот период называется периодом активных химических превращений, длительность которого можно определить следующим образом [4,5]:
(2)
где: Я — параметр, являющийся мерой скорости химического взаимодействия водорода с конструкцией, показывающий, во сколько раз время до завершения периода изменений механических свойств материала отличается от продолжительности инкубационного периода, т. е. Я = 4р/4нк.
р (е • а Э) —
т = т0 ех]
Здесь: т0, G, g — константы материала- аЭ — эквивалентное напряжение, аг -интенсивность нормальных напряжений, аср — среднее напряжение.
Г Г
Для стали 20 этот параметр принимает значения в пределах от 5 до 10 [4,5].
Для учета влияния уровня напряжений на длительность инкубационного периода и скорость высокотемпературной коррозии вводится зависимость коэффициента т от, а в виде [5]:
аг, при аср & gt- 0
0, при ар & lt- 0
ср. (3)
Распределение давления по толщине оболочки вычисляется: для плоской стенки:
4РВ ¦
1-
У
У
(4)
для оболочки:
где: 7 — плоская координата- р — сферическая координата- к — толщина оболочки- гВ — внутренний радиус оболочки- гН — наружный радиус оболочки- РВ — внутреннее давление- Рн — наружное давление.
3.2. Обобщенная модель химического взаимодействия
Влияние водорода на свойства материала представляется в виде дифференци-
с условиями:
_ ж)•1пГ гв) Т
в 1п (гя/гв) 0, (5)
ального уравнения для параметра химического взаимодействия водорода с материалом конструкции ц, изменяющегося от Д0 до ДКР, принадлежащего интервалу (0- 1) и характеризующего степень поражения материала вследствие водородной коррозии [5]:
(6)
г = 0, д = До (р, Т) — г = гинк, д = Дп (р, Т) — г = д = дет (р, Т).
Здесь к (р, Т) — коэффициент, учитывающий влияние давления р, температуры Т и степени поврежденности О на кинетику химических превращений, приводящих к деградации физико-механических свойств материала.
Распределение давления по толщине оболочки и учет влияния уровня напряжений на скорость высокотемпературной коррозии вычисляются также, как и в модели 3.1.
3.3. Модель оценки кинетики движения фронта обезуглероживания
Предполагается, что воздействие водорода на материал начинается с поверх-
ности оболочки, непосредственно контактирующей с водородосодержащей средой, и проявляется в обезуглероживании материала. По мере проникновения водорода в материал этот процесс распространяются в глубь конструкции с образованием области обезуглероженного материала. Поверхность, разграничивающую области материалов в исходном и обезуглероженном состоянии, будем называть фронтом обезуглероживания.
Кинетика перемещения фронта обезуглероживания будет определяться следующими выражениями [5]:
для пластины:
для оболочки:
— = 1 _ к
к — 1 — ехр (^/Т) г • ри
фронта. г
1
2-и
I = 1-
к • 1 • ехр ((2/Т) г • ри
фронта У
(8)
(9)
2-и
1
где — - глубина обезуглероживания, отсчитываемая от поверхности контакта оболочки с водородом- /фронта — время, для которого определяется глубина обезуглероживания.
Более подробно модели воздействия на оболочку водородосодержащей среды описаны в работах [7, 8, 9].
Пример расчета
В качестве примера рассмотрим напряженно — деформированное состояние кольцевой пластины, находящейся под воздействием давления водорода. Пластина изготовлена из материала сталь 20 и имеет следующие геометрические разме-
ры: Я = 110 мм, г = 65 мм, 8 = 10 мм (рис. 1). Давление водорода осуществляется на верхнюю поверхность пластины, при этом внешний и внутренний кольцевые контуры имеют шарнирно — неподвижное опира-ние.
¦
5 & quot- Г
7/^3? & gt- 777
¦5
Рис. 1.
В работах [7, 8, 9] было исследовано напряженно — деформированное состояние пластины, равномерно нагретой до температуры 500 °C и находящейся под давлением Р = 5 МПа. Константы материала в соотношениях (1) — (9) были взяты из работы
[5]. Расчеты проводились с использованием модели химического взаимодействия 3.3.
В настоящей работе проведем расчеты этой же конструкции при таких же условиях нагружения с использование моделей 3.1 и 3. 2, и сравним полученные результаты.
Расчеты пластины без учета водородной коррозии показали, что макси-
мальные значения интенсивности напряжений не превышают пределов текучести, ползучести и длительной прочности материала, то есть при этом в ее материале не возникает пластических деформаций и не происходит накопление деформаций ползучести и повреждаемости. Если не учитывать влияние высокотемпературной водородной коррозии, рассматриваемая пластина имеет практически неограниченный ресурс. В результате расчета пластины с использованием моделей учета влияния водородной коррозии 3.1. — 3.3. были получены следующие результаты (таблица 1):
Таблица 1.
Вид модели Значения параметров модели Учет влияния о на скорость процесса обезуглероживания Время до разрушения 4*, ч.
то тП И-КР X
3.1. — - - 1 (^кр Їинк) нет 3920,0
— - - 5 нет 4826,0
— - - 5 да 4479,0
3.2. 0,15 0,218 0,218 — нет 3225,4
0,15 0,218 0,915 — нет 5215,0
0,15 0,218 0,915 — да 4953,0
3.3. — - - 5 нет 4510,0
Как видно из таблицы 1, использование в расчетах различных моделей высокотемпературной водородной коррозии дает различные значения времени до разрушения оболочки. Так, в рассмотренных задачах это отличие превышает 60%.
В точках нижней поверхности пластины возникают преимущественно растягивающие меридиональные и окружные напряжения. Наиболее напряженными точками нижней поверхности пластины является точки, отстоящие от края отверстия на расстоянии 20 мм (то есть точки с
координатой S = 85 мм). При этом на верхней поверхности пластины, подверженной действию водорода, имеют место преимущественно сжимающие напряжения. По мере обезуглероживания материала пластины происходит снижение его прочностных свойств. Это приводит к перераспределению напряжений в тех зонах пластины, в которых материал обезугле-рожен и возникают необратимые деформации. При этом в точках нижней поверхности пластины напряжения возрастают до значений, превышающих предел ползучести, что вызывает развитие деформаций ползучести и накопление повреждений в материале. В результате к моменту времени t = tL* в наиболее напряженных точках (S = 85 мм, Z = - 0,5 мм) происходит разрушение материала вследствие ползучести и этот момент времени принят за время разрушения конструкции.
Заключение
Разработанная методика позволяет исследовать историю изменения осесимметричного упругопластического напряженно — деформированного состояния однослойных и многослойных стальных оболочек вращения с учетом повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии, а также оценивать их несущую способность и долговечность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Белов А. В. Осесимметричное упругопластическое напряженно — деформированное состояние оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: Автореферат дисс. канд. техн. наук. — Киев, 1989. — 18 с.
2. Поливанов А. А. Осесимметричное упругопластическое деформирование мно-
гослойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: Автореферат дисс. канд. техн. наук. -Волгоград, 2004. — 19 с.
3. V. Bagmutov, A. Belov, A. Poliva-nov Damage Calculation Features of Multilayered Shells of Rotation at Thermo — Viscous — Elasto — Plastic Strain // MECHANIKA, 2004, No 3(47) — p. 19 — 23.
4. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия, 1985. 192 с.
5. Овчинников И. Г., Хвалько Т. А. Работоспособность конструкций в условиях высокотемпературной водородной коррозии: Саратов, 2003. 176 с.
6. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. — М.: Наука, 1966. -752 с.
7. Белов А. В. Поливанов А. А. Попов А. Г. Оценка работоспособности многослойных пластин и оболочек с учетом повреждаемости материалов вследствие ползучести и высокотемпературной водородной коррозии // Современные проблемы науки и образования, 2007, № 4 — С. 8085.
8. Белов А. В. Поливанов А. А. Попов А. Г. Analysis of stress and strain state of plates and shells with due consideration of materials damageability thanks to time-dependent deformation and high-temperature hydrogen corrosion // European journal of natural history, 2007 No 4 — 148−150.
9. Белов А. В. Поливанов А. А. Попов А. Г. Длительная прочность вращающейся конической оболочки переменной жесткости с учетом повреждаемости материала при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии // Современные проблемы науки и образования. Академия естествознания, 2008, № 1 — С. 48−53.
CALCULATION OF PLATES AND SHELLS WITH TAKING ITO ACCOUNT DAMAGEABILITY OF MATERIAL TO CREEPING AND TEMPERATURE HYDROGEN — TYPE CORROSION
Belov A.V., Polivanov A.A., Popov A.G.
Kamyshin technological institute (branch) of Volgograd state technical university, Kamyshin
On the of the system approach a procedure of the solution to the complex problem designed and durability of multilayer steel shells and plates in view of irreversible deformation, damageability of materials owning to creep and high — temperature hydrogen — type corrosion was developed.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой