WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |
  • тематической секции «Роль науки в развитии нефтегазовой отрасли Республики Башкортостан» в рамках научно-практической конференции «Вклад науки Республики Башкортостан в реальный сектор экономики» (Уфа, 2003 г.);
  • научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2005, 2008 гг.);
  • Всероссийском семинаре-совещании Ростехнадзора «Проблемы промышленной безопасности в системе нефтегазового комплекса трубопроводного транспорта» (Уфа, 2005 г.);
  • научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2005, 2008, 2009 гг.);
  • IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт 2008» (Уфа, 2008 г.);
  • научно-техническом семинаре «Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2009 г.).

Публикации

По материалам работы опубликовано 12 научных трудов.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 109 наименований. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 15 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУП «ИПТЭР» за помощь и полезные советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна и практическая значимость, приведены основные защищаемые положения.

Первая глава посвящена анализу напряженного состояния и работоспособности бездефектных сосудов из биметалла в условиях нестационарных термомеханических воздействий с учётом фактора механической неоднородности. Рассмотрены случаи, когда слои биметалла отличаются друг от друга термомеханическими свойствами Е,,, т (несколькими или всеми параметрами). В расчётной модели приняты идеально-упруго-пластические диаграммы деформирования материалов. Рассмотрены разные режимы нагружения, в том числе:

    • действует только давление, и оно изменяется во времени;
    • действует только температурное поле, и оно изменяется во времени;
    • совместно действуют давление и температурное поле, которые изменяются во времени;
    • температурное поле равномерное или с градиентом по толщине стенки сосуда.

Для каждого из рассмотренных случаев получены формулы (графики, таблицы, программы), позволяющие определять максимальные напряжения и деформации, перепады напряжений и деформаций в циклах, строить общие диаграммы деформирования биметалла в целом. Эти данные позволяют определять режимы (давления и температуры), при которых стенка сосуда полностью остается в упругом состоянии, работает в упруго-пластическом режиме (некоторые зоны вступают в пластическое состояние), полностью вступает в пластическое состояние. Для примера на рисунке 1 показана серия диаграмм деформирования стенки сосуда, соответствующих разным температурам t. Четырёхугольник ABCD в фазовой плоскости Q – (нагрузка – деформация) соответствует полностью упругому состоянию сосуда, что обеспечивает максимальную долговечность и безопасность. Ресурс при других режимах работы определяется найденными перепадами деформации по известным формулам малоциклового разрушения.

Рисунок 1 – Диаграммы деформирования биметаллической стенки сосуда при разных температурах t (1, 2 – толщины слоев биметалла)

Интересным оказался случай, когда сосуд из биметалла находится под действием внутреннего давления при неравномерном и циклически изменяющемся температурном поле. Данный случай реализуется, когда температура внутри сосуда (или трубы) существенно отличается от температуры вне сосуда. Теплообменники, аппараты, в которых происходят технологические процессы с выделением или поглощением тепла, относятся к данному случаю. Распределение температуры и напряжений в стенке имеет вид, как показано на рисунке 2, где t1 и t2 температуры на поверхности стенки со стороны слоев 1 и 2; tk – температура на плоскости контакта между слоями 1 и 2.

В отличие от сосудов, изготовленных из однородного материала, в биметаллических сосудах возможно циклическое накапливание пластических деформаций (термоциклическая ползучесть) за счёт перераспределения напряжений с одного слоя на другой и обратно при изменениях температуры. Необратимая пластическая деформация за один цикл соответствует следующим выражениям:

, (1)

где ;

; ; ; ;

; ; ;

P – давление в сосуде; R – внутренний радиус сосуда;

, перепады средних температур в слоях биметалла;

; ;

и теплопроводности слоёв биметалла (величины, обратные 1 и 2, тепловые сопротивления слоев);

k1 и k2 – коэффициенты теплопроводности материалов 1 и 2;

и – перепады температуры на внутренней и наружной поверхностях сосуда соответственно.

а) б)

Рисунок 2 – Распределение температуры (а) и напряжений (б) в стенке биметаллического сосуда

Расчёт значения 1 имеет практическое значение для оценки долговечности сосуда по критерию потери запаса пластичности.

Проанализированы следующие механизмы разрушения сосуда:

    • по механизму потери устойчивости;
    • по механизму исчерпания запаса пластичности;
    • по механизму усталостного разрушения.

Результирующая долговечность определяется наименьшим из полученных значений. Например, для случая, когда сосуд находится под действием внутреннего рабочего давления и меняющегося во времени температурного поля, работоспособность сосуда можно выразить диаграммой состояния, изображённой на рисунке 3. Координаты точек А, В, D определяются с использованием выражений (1). В диссертации разработаны алгоритмы и приведены примеры расчётов долговечности сосудов из биметаллов с учётом параметров циклических термомеханических воздействий.

Рисунок 3 – Общий вид диаграммы состояния сосуда из биметалла

Вторая глава посвящена исследованию особенностей развития трещин в биметалле. Рассмотрены наиболее характерные случаи, которые показаны на рисунке 4. Трещина является резким концентратором напряжений и способна приводить к разрушениям при нагрузках, когда материалы ещё находятся в упругом состоянии. Поэтому в расчётных моделях материалы 1 и 2 отличаются упругими характеристиками Е и (модулем упругости и коэффициентом Пуассона).

Из классической механики разрушения известно, что напряжения в окрестности вершины трещины описываются выражениями типа

, (2)

где r, полярные координаты вокруг вершины трещины; параметр особенности концентрации напряжений; нормированная функция, описывающая распределение напряжений по полярному углу (вокруг трещины); К – коэффициент интенсивности напряжений.

Рисунок 4 – Расчётные модели биметалла с трещиной

Для обычной трещины (в механически однородном материале) все элементы формулы (2) известны. Параметр особенности = – 0,5. Значение КИН зависит от размеров детали с трещиной и действующих нагрузок.

Выражение (2) сохраняет силу и для биметаллов, если вершина трещины не находится на границе раздела материалов с разными свойствами (случаи «а» и «в» на рисунке 4). В случаях, когда вершина трещины находится на границе между разными материалами, требуется проведение специальных исследований. Такие исследования с применением хорошо апробированных методов привели к следующим результатам.

Поперечная трещина (случай «б» на рисунке 4)

В данном случае концентрация напряжений описывается также выражением типа (2), но все составные части этого выражения зависят от соотношения механических свойств материалов. Значения параметра, приведённые в таблице 1, показывают, что при переходе трещины из более твердого материала в мягкий (схема «») концентрация напряжений выше, чем в других случаях (абсолютное значение параметра больше, напряжения растут быстрее при ).

Функции для разных компонентов напряжений для одного из случаев показаны графически на рисунке 5. Видно, что при переходе трещины из твердого материала в мягкий (схема «») наблюдаются разрыв компоненты напряжений на межфазной поверхности и резкий всплеск на стороне мягкого материала. Это объясняет причину и механизм разветвления трещины, как показано в случае «г» на рисунке 4.

Таблица 1 – Зависимость параметра особенности от соотношения
упругих свойств материалов биметалла (поперечная трещина)

Схема

E1

E2

1

2

100

1

0,3

0,3

0,91588

50

1

0,3

0,3

0,88296

20

1

0,3

0,3

0,82246

10

1

0,3

0,3

0,76287

5

1

0,3

0,3

0,69336

2

1

0,3

0,3

0,59050

1

2

0,3

0,3

0,38104

1

3

0,3

0,3

0,27712

1

4

0,3

0,3

0,12952

1

4,1

0,3

0,3

0,09519

1

1

0,3

0,2

0,50900

1

1

0,3

0,4

0,48504

1

1

0,2

0,3

0,48982

1

1

0,4

0,3

0,51287

Коэффициенты интенсивности напряжений определяли двумя независимыми способами: прямым методом с экстраполяцией, где напряжения предварительно определялись методом конечных элементов, и энергетическим методом, основанным на балансе энергий при росте трещины (рисунок 6). Каждый из этих методов имеет свои недостатки и преимущества, но при совместном применении достоверность результатов существенно повышается.

Из свойств подобия полей напряжений в образцах, отличающихся только масштабом, вытекает следующая зависимость КИН от нагрузки и абсолютных размеров:

. (3)

Здесь – номинальное напряжение, которое определяется нагрузкой;

– характерный размер (толщина биметалла);

– относительный размер трещины;

– безразмерный поправочный множитель (инвариант).

Рисунок 5 – Распределение напряжений в окрестности вершины
поперечной трещины (; ; )

Рисунок 6 – Интенсивность высвобождаемой энергии G
при росте поперечной трещины в биметалле;

Анализ полученных результатов показывает, что наиболее опасны трещины, переходящие из твердого слоя биметалла в мягкий. Трещины, переходящие из мягкого материала в твердый, менее опасны, так как концентрация напряжений на них менее ярко выражена. При разномодульности особенность вида вовсе исчезает.

Разветвлённая трещина с межфазной частью (случай «г» на рисунке 4)

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»