WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

При последующей наработке картина напряженно-деформированного состояния изменяется. Зоны пластических деформаций располагаются непосредственно вблизи калачей, что позволяет реализовать механизм адаптации к внешним нагрузкам, связанный с общей потерей устойчивости труб в результате возникновения пластических шарниров в зоне приварки калачей.

Оценка реальных рабочих условий функционирования змеевика и напряженно-деформированного состояния в материале труб позволила уточнить параметры процесса ползучести с применением деформационной карты. Важным результатом является то, что реальная скорость ползучести, определенная по деформационной карте, оказалась на три порядка выше той, которая принята при проектировочных расчетах. Для полученной области деформирования характерен механизм ползучести, связанный с диффузией вакансий по границам зерен (механизм Кобла). Таким образом, показано, что процесс ползучести является существенным механизмом адаптации к внешним нагрузкам.

Введение в расчетную схему змеевика специфических свойств сварных соединений показало существенное перераспределение напряженнодеформированного состояния, что указывает на возможность реализации механизмов адаптации через эти узлы. Расчеты показали, что приближение ремонтных сварных соединений к зоне приварки калачей может совместить участки с максимумом пластических деформаций, реализующихся в сварных швах, с максимальными деформациями ползучести. Изучение напряженнодеформированного состояния змеевика позволило установить, что механизмы адаптации к внешним нагрузкам связаны с геометрическими и физическими неоднородностями конструкции.

Четвертая глава посвящена исследованию механизмов адаптации в узлах конструкции с геометрическими неоднородностями на различных стадиях технологического процесса. Геометрические неоднородности возникают при потере устойчивости формы труб и при ремонтных заменах дефектных участков труб. Изучение сварных соединений показало, что геометрические дефекты возникают вследствие разнотолщинности свариваемых труб и в результате смещения их осей при сопряжении.

Классификация дефектов, связанных с изменением формы печных труб в процессе эксплуатации, позволила разработать несколько расчетных схем для оценки напряженно-деформированного состояния в осесимметричной постановке и получить решения методами моментной теории расчета для длинных и коротких оболочек. Расчеты показывают, что деформирование оболочек в дефектных областях происходит в упругопластической области.

Дальнейшие исследования проводили на конечно-элементных моделях в среде ПК «ANSYS». На рисунке 11 показано распределение эквивалентных напряжений в сварном соединении разнотолщинных труб. В зоне термического влияния (ЗТВ) со стороны «новой трубы» с большей толщиной стенки напряжения выше, чем в ЗТВ со стороны более тонкой трубы. При этом приращение эквивалентных напряжений линейно зависит от разности толщин и достигает при разности 4 мм величины условного предела текучести материала 20Х23Нпри температуре процесса пиролиза (рисунок 12).

Сваривание разнотолщинных труб приводит к смещению осей, поскольку при ремонтной сварке трубы прихватываются по верхней образующей. Моделировали несимметричное соединение с различной величиной смещения осей.

Расчеты показывали сложный характер распределения напряжений в зоне сопряжения. Это видно, например, из данных рисунка 13, где приведено распределение эквивалентных напряжений в сечениях зон термического влияния со стороны «новой» трубы при смещении осей на 1 мм. Возрастание величины смещения приводит к увеличению концентрации напряжений, а поскольку уровень этих напряжений велик, то необходимо предотвращать смещение. Это можно сделать, применив специальное устройство, которое разработано под руководством автора и передано для использования в производственных условиях.

, М а П 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 - 4 м (10 ). 3.6 0.3 6 4 0.7 2 8 1 4 5 6 2.1 8 4 2.5 4 8 2.9 12 3.2 7 6 4.0 0 4 4.3 6 8 4.7 3 1 0 9 2 1 8..

Рисунок 11 – Распределение эквивалентных напряжений при сваривании «старой» и «новой» трубы мм Рисунок 12 – Приращение эквивалентных напряжений в точке максимум в зависимости от разности толщин Особые условия возникают в геометрически неоднородных сварных соединениях при паровоздушном выжиге кокса. Как указывалось выше, возможМПа, ное прохождение фронта горения через дефектное соединение может инициировать возникновение температурных напряжений.

, П ) а (59 9 0,0 59 5 2,7 0 59 15,3 9 58 7 8,0 9 58 4 0,7 8 58 0 3,4 7 57 6 6,1 6 57 2 8,8 5 56 9 1 5 5, 56 5 4,2 4 - 56 16,9 3 4 м (10 ) 0 0.7 0 1 4 0 8 2.1 12 3.5 2.

0.3 1 0 5 6 1 7 6 2.4 6 4 2.8 16 3.1 6..

Рисунок 13 - Распределение эквивалентных напряжений по сечению трубы в зоне термического влияния со стороны «новой» трубы при смещении осей на 1 мм Моделирование с помощью метода конечных элементов прохождения фронта горения позволило рассмотреть различные возможные варианты этого явления и рассчитать напряжения. Моделировали прохождение фронта горения кокса как со стороны более тонкой трубы, так и со стороны более толстой. На рисунке 14 показан наиболее опасный пример распределения напряжений в дефектном сварном соединении при прохождении фронта со стороны более тонкой трубы. Даже при смещении осей на 1 мм максимальные напряжения существенно превышают предел прочности материала. Расчеты показывают, с одной стороны, что мгновенного разрушения не происходит только за счет кратковременности пиковых напряжений (несколько секунд), с другой – модельное соединение разрушается после 10 циклов нагружения. Это подтверждается практикой эксплуатации пиролизных печей. Для улучшения ситуации предлагается увеличивать температуру предварительного разогрева труб.

, М а П 154,138,123, 10 7,92,77,61,46,30,15, l, м 0,4 0 2 0,8 0 4 1,2 0 6 1,6 0 8 2,0 0 0,2 0 1 0,6 0 3 1,0 0 5 1,4 0 7 1,8 0 «новая» труба «старая» труба Рисунок 14 – Распределение эквивалентных напряжений при проведении паровыжига со стороны «старой» трубы На рисунке 15 показано, что двукратное увеличение температуры предварительного нагрева приводит к аналогичному снижению эквивалентных напряжений.

300 400 500 t, C Рисунок 15 - Зависимость эквивалентных напряжений от предварительного нагрева трубы При локализации отложения кокса на небольшой площади возникают специфические дефекты, которые показаны на рисунке 16. Локальные дефекты сферического типа отличаются резким уменьшением толщины стенки.

3 0 C 6 5 0 C 9 3 0 0 C 5 6 0 C 3 0 0 C 8 3 0 0 C 3 0 C 3 0 C 0 C 0 C МПа, а (=2256 ч) б (=4872 ч) Рисунок 16 - Локальные дефекты геометрии трубчатого змеевика печи пиролиза Установлена следующая последовательность эволюции дефекта: образование язвы на внутренней поверхности трубы утонение стенки со стороны внутренней поверхности потеря устойчивости формы. Травление в поперечном сечении образца с дефектом обнаружило квазимногослойную сферическую оболочку, в которой не наблюдается изначальная аустенитная структура. Рентгенофазный анализ показал обильное содержание карбида никеля в -железе.

Измеренные остаточные напряжения рентгеновским методом дали следующие значения: на границе дефекта сжимающие напряжения составляют 28 кг/мм2, в самом дефекте растягивающие напряжения - 9,5 кг/мм2. НДС в зоне локального дефекта моделировали с помощью метода конечных элементов с учетом реальной геометрии и физико-механических свойств. На рисунке 17 показано распределение деформаций в зоне дефекта и схема расположения пластических шарниров. Такое расположение пластических шарниров объясняет механизм возникновения дефектов.

П П Рисунок 17 - Распределение деформаций и расположение пластических шарниров (П) в зоне локального дефекта В пятой главе рассматриваются механизмы адаптации к внешним условиям, связанные с физической неоднородностью материала труб змеевика печи.

Физическая неоднородность возникает в трубах змеевика в результате диффузионного перераспределения углерода по толщине стенки. По наружной поверхности труб происходит выгорание углерода и образование поровой структуры, а по внутренней поверхности наблюдается интенсивная диффузия углерода из зоны контакта с коксом. Эти два процесса во времени формируют квазимногослойную оболочку, которая по своим свойствам существенно может отличаться от первоначальной.

Расчеты показывают (таблицы 4 и 5), что модуль упругости пористого слоя после эксплуатации металла более 105 часов может уменьшиться в 1,3 раза.

В то же время происходит уменьшение коэффициента линейного расширения науглероженного слоя. Такое изменение физических характеристик может создать напряжения в стенке трубы отличающиеся от рабочих параметров.

Таблица 4 – Определение модуля упругости пористого слоя (Еп) 2256 ч 4872 ч 5605 ч 7929 ч 11082 ч Vп (объемная доля 0,0035 0,0142 0,0717 0,0834 0,пористого слоя) Еп, МПа 1,4 1,37 1,21 1,17 1,Таблица 5 – Изменение коэффициента линейного расширения науглероженного слоя (н) в зависимости от объемной доли карбидов в нем Vк (объемная доля 0,1 0,2 0,3 0,4 0,42 (образец 11082 ч) карбидов) н, 17,054 16,25 15,356 14,570 14,10-6*1/0С Методом конечных элементов смоделирована квазимногослойная оболочка с различными физическими параметрами слоев. Некоторые результаты показаны в таблице 6. Анализ этих данных позволяет сделать вывод, что с увеличением толщины карбидного слоя (при постоянной доле карбидов) напряжения в нем падают, а напряжения в основном металле повышаются. Например, в трубе, эксплуатировавшейся 11082 ч, на границе раздела слоев коэффициент концентрации напряжений составляет 2,68 и науглероженный слой «растягивается» основным металлом.

Можно сделать вывод, что с увеличением объемной доли карбидов в науглероженном слое (при постоянной его толщине) напряжения растут по всей толщине стенки трубы.

Обобщенно можно сказать, что влияние науглероженного слоя на напряженно-деформированное состояние змеевика имеет сложный характер и зависит как от толщины науглероженного слоя, так и от объемной доли карбидов в нем. Существенную роль при этом играет разница коэффициентов линейного расширения стали и карбидов.

Таблица 6 – Изменения напряжений в науглероженном змеевике от толщины науглероженного слоя при постоянной объемной доле карбидов в нем (н=14,33 10-6*1/0С) Эквивалентные напряжения Толщина науглероженного (по энергетической теории прочности), МПа слоя, мм Науглероженный Основной металл слой 0,5 787 1,0 730 1,5 672 2,0 614 С увеличением объема пор в пористом слое с течением времени этот слой оказывается в сжатом состоянии по отношению к основному металлу. При этом на границе слоев коэффициент концентрации напряжений через 1,1х 105 часов достигает величины 1,35.

Отложение кокса на внутренней поверхности труб по нескольким причинам оказывается неравномерным, что приводит к дополнительному неравномерному распределению напряжений в оболочке. Вычислительный эксперимент подтвердил этот эффект и позволил получить его цифровое выражение.

На рисунке 18 и таблице 7 показаны: максимальные эквивалентные напряжения при различных случаях отложения кокса, зависимость эквивалентных напряжений от толщины кокса. В зонах локального отложения кокса деформации происходят в упругопластической области.

Структура феррита, обладая магнитными свойствами, позволяет проводить раннее диагностирование дефектных зон, для реализации которого в работе предлагается прибор с условным названием «Локализатор» (глава 6).

Таблица 7 – Максимальные эквивалентные напряжения при различных случаях отложения кокса Характер отложения кокса Максимальные эквивалентные при толщине S = 5 мм напряжения, max, МПа 1/16 часть трубы 1/4 часть трубы по кольцу трубы вдоль нижней части трубы 300 Толщина кокса, мм Рисунок 18 – Зависимость эквивалентных напряжений от толщины кокса Высокая температура, неравномерное распределение напряжений и деформаций, реализация ползучести и перераспределение углерода делают неизбежным фазовые переходы и изменение механических характеристик конструкционного материала. Отобранная представительная проба металла, проработавшего различное время в условиях змеевика печи пиролиза, позволила получить временные зависимости механических характеристик (рисунок 19, 20).

Эквивалентные напряжения, МПа, МПа 0,4 35 35 35 34 32 30, ч.

200 400 600 8000 10 0 0 12 00 а) в, МПа 59 59 58 56, ч.

200 400 0 600 800 10 0 0 12 0 б) Рисунок 19 - Зависимости изменения прочностных характеристик стали 20Х23Н18 от продолжительности эксплуатации:

а) условного предела текучести 0,2, б) предела прочности в р, % 24, ч.

400 600 800 0 10 00 12 а) 12 0 0, % 62, ч.

200 400 600 800 0 10 00 12 0 0 б) Рисунок 20 - Зависимости изменения пластических характеристик стали 20Х23Н18 от продолжительности эксплуатации:

а) относительного удлинения р б) относительного сужения, Из зависимостей, представленных на рисунках 19 и 20, следует, что в интервале работы 0-2256 ч. прочностные и пластические свойства стали снижаются, при дальнейшей эксплуатации одновременно происходит упрочнение и охрупчивание.

Кроме этого, зависимости изменения прочностных и пластических свойств имеют разный характер, что говорит о сложном влиянии эволюции структуры стали на изменение механических свойств.

Аналогичные исследования проведены для металла сварных соединений.

Наблюдается существенное снижение прочности сварных швов по сравнению с основным металлом для идентичных сроков эксплуатации. Заметное различие в пластических свойствах наступает только на уровне 11000 часов эксплуатации.

Такое положение характерно для группы аустенитных сталей, в которую входит сталь 20Х23Н18.

На порядок меньше значения ударной вязкости металла шва по сравнению с основным металлом, которая не превышает значения 0,1 МДж/см2. Для образца металла, проработавшего 11000 ч, ударную вязкость не удалось определить, поскольку образец рассыпался при изготовлении.

Сварной шов формируют в два прохода. Нижний шов преимущественно имел аустенитную структуру с вкраплениями -фазы. Верхний шов изначально содержал более 35% карбида хрома (Cr23C6) и около 10% феррита.

Структура нижнего шва через 5605 часов изменилась в сторону уменьшения аустенита, увеличения содержания -фазы. Появились точечные включения карбидов хрома. Металл верхнего шва также изменился: наблюдается распад феррита с образованием дополнительного количества аустенита.

При 7929 часах работы металл шва претерпел существенное изменение.

Наблюдается образование -фазы в верхнем шве в виде протяженных нитей, в нижнем - в виде скоплений. При этом имеет место растворение карбидов.

Pages:     ||
|



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.