WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Для более детального исследования характера изменения свойств металла и определения механизма накопления повреждений проведен металлографический анализ. Сравнение микроструктуры проводили в идентичных точках трех сварных соединений с различным временем эксплуатации.

Сварной шов накладывается 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.

Дальнейшее изменение структуры происходит в направлении растворения фазы и выделения карбидов хрома. Карбиды выделяются в виде крупных полос в верхнем шве и в виде мелкой сетки эвтектики в нижнем.

В околошовной зоне -фаза также идентифицируется в образцах с наработкой 7929 часов. Отличительной особенностью в этом случае является то, что карбиды не растворяются и располагаются внутри зерен аустенита во все увеличивающемся количестве. При наработке 11082 часа мелкая сетка карбидов в околошовной зоне содержит трещины различной конфигурации.

Характер изменения структуры шва и околошовной зоны объясняет экстремальный характер изменения предела прочности и условного предела текучести, а также резкое снижение ударной вязкости. Необходимо отметить также, что образование карбидов происходит на фоне диффузии углерода с внутренней поверхности трубы из зоны контакта с коксом.

Четвертая глава посвящена оценке напряженно-деформированного состояния в узле сварного соединения. Изучение реальных сварных соединений змеевика печи пиролиза показало, что при ремонте сопрягаются трубы с различной толщиной стенки, поскольку имеет место утонение труб. Кроме этого, при сваривании труб допускается их несоосность, а также обнаруживаются дефекты типа «непровара». Такие геометрические дефекты могут быть концентраторами напряжений, тем более опасными, чем больше рабочая температура трубы.

Для проверки степени влияния указанных факторов был поставлен вычислительный эксперимент. Задача определения напряженнодеформированного состояния обечаек сложной геометрии в рамках упругого и упругопластического деформирования реализуется в среде программного комплекса ANSYS в несколько этапов:

-построение геометрической модели объекта исследования;

-задание свойств конструкционного материала;

-определение типа используемого конечного элемента;

-построение сетки модели вместе с узлами и элементами;

-задание нагрузок и граничных условий.

Построение цилиндрической оболочки осуществляется следующим образом:

-создается двумерная область в виде двух прямоугольников, которые представляют толщину стенки свариваемых труб;

-при помощи сплайнов эти два прямоугольника соединяются, образуя при этом третью поверхность: поперечное сечение сварного шва (рисунок 3);

2 l l 2 Рисунок 3 - Плоская расчетная схема -на расстоянии равном радиусу труб строится прямая, которая представляет собой оси цилиндров;

- построенные ранее прямоугольники и третья поверхность оборачиваются вокруг себя, образуя при этом искомые поверхности, которые и являются расчетной моделью (рисунок 4).

Рисунок 4 - Расчетная модель В качестве основного расчетного элемента был выбран восьмиузловой конечный элемент связанной задачи, построенный на основе трехмерных уравнений теории упругости с учетом ряда гипотез теории оболочек – SOLIDи имеющий шесть степеней свободы.

Свойства конструкционного материала 20Х23Н18 заданы табличным способом. Кинематические граничные условия задаются на торцах цилиндров по линиям окружностей в предположении, что в каждом узле заданы нулевые компоненты вектора перемещений по осям X, Y, а также углы поворота между нормалью к срединной поверхности и осями локальной системы координат. В месте сопряжения обечаек задавалось условие совместности деформаций.

Статические граничные условия в задаче полностью определяются заданием на S S внутренних поверхностях дискретизирующих оболочку конечных элементов равномерного внутреннего давления и температуры.

На рисунке 5 показано распределение эквивалентных напряжений в зоне стыка двух новых бездефектных труб, которое согласуется с распределением напряжений, рассчитанных по моментной теории. При соединении разнотолщинных труб (рисунок 6) наблюдается уменьшение пиковых напряжений в самом сварном шве, но область более высоких напряжений смещается в область «новой» трубы. При этом длина участка с повышенными напряжениями увеличивается с увеличением разности толщин сопрягаемых труб. Увеличение эквивалентных напряжений на этом участке линейно зависит от разности толщин труб и достигает при разности 4 мм 45 МПа.

Наиболее характерным дефектом, который формируется при ремонте дефектных труб, является смещение осей сопрягаемых труб. Обычно при ремонтной сварке трубы выравниваются по верхней образующей и для такого случая рассчитаны эквивалентные напряжения в различных зонах сварного соединения при различном смещении осей труб (рисунки 7 и 8).

Рисунок 5- Распределение эквивалентных напряжений в области сварного шва Рисунок 6 - Распределение эквивалентных напряжений при сваривании «старой» и «новой» труб Рисунок 7 - Распределение эквивалентных напряжений по длине трубы при непроваре в сварном соединении а б Рисунок 8 - Распределение эквивалентных напряжений по сечению трубы в зоне термического влияния со стороны «новой» (а) и «старой» (б) труб (смещение осей 2 мм) Расчеты показывают, что в наиболее неблагоприятных условиях работает более тонкая труба. При этом увеличение смещения осей труб также прежде всего сказывается на ремонтируемой трубе, где общий уровень напряжений по сечению трубы возрастает существенно. Данные рисунка 8 показывают, что при рабочих температурах эквивалентные напряжения при смещении осей труб превышают предел текучести конструкционного материала.

Таким образом, в среде ПК «ANSIS» предложен электронный образ сварного соединения труб змеевика печи пиролиза с различающимися геометрическими характеристиками. На языке автоматического проектирования «APDL» разработана программа, реализующая напряженнодеформированное состояние в сварном соединении при изменении его геометрии в пределах, установленных регламентом процесса, в упругой области деформирования. Численные исследования указывают на возможность моделирования реальных ситуаций, возникающих при эксплуатации змеевика, и разработки критерия отбраковки труб с целью достижения безопасного и экономичного режима эксплуатации печи.

Пятая глава посвящена исследованию напряженного состояния геометрически неоднородного сварного соединения на некоторых экстремальных стадиях технологического процесса. К таким стадиям прежде всего относится паровыжиг кокса, отложившегося на внутренней поверхности труб змеевика печи пиролиза. Несмотря на то, что используются различные ингибиторы коксоотложения, на практике не удается избежать этого эффекта.

Периодически процесс останавливается и проводится выжиг кокса, который заключается в нагреве змеевика работающими горелками до определенной температуры и подаче водяного пара. Происходит локальное воспламенение кокса, после чего фронт пламени движется вдоль трубы. В процессе выжига пирометром зафиксированы температуры в зоне локального горения, достигающие 950-1000 0С. Чирковой А.Г. с использованием моментной теории оболочек показана концентрация напряжений в зонах локальной потери устойчивости формы в зонах горения кокса. Условные эквивалентные напряжения существенно превышают предел прочности материала, и мгновенное разрушение не происходит только вследствие малого времени горения. Однако моментная теория оболочек позволяет решать осесимметричные задачи, что в случае сварных швов с дефектами геометрии не соответствует действительности. В связи с этим нами с применением МКЭ поставлена задача определения напряженно-деформированного состояния сварных соединений. Силовые и граничные условия задачи остаются теми же, что и в предыдущей задаче, а температурные условия по длине трубы задаются в соответствии с практическими условиями проведения процесса выжига.

Стандартные температурные условия, измеренные пирометром, таковы, что трубы предварительно нагреваются до температуры 300 С, а в зоне горения достигается температура 950 С. Причем фронт горения рассматривается непосредственно в зоне сопряжения труб, а температура за фронтом горения плавно снижается до 300 0С.

Рассматриваются два варианта, когда фронт пламени надвигается со стороны более «тонкой» трубы и со стороны более «толстой».

При температуре предварительного разогрева змеевика 300 С, как показывают расчеты, условные эквивалентные напряжения достигают величины более 120 МПа (рисунок 9), что коррелирует с расчетами по моментной теории оболочек.

Рисунок 9 - Распределение эквивалентных напряжений при проведении паровыжига со стороны «старой» трубы 8 C 3 C 9 C 3 C 3 C 3 C 6 C 3 C 5 C 3 C В работе показано, что напряжения в сварном шве можно снизить увеличением температуры предварительного подогрева змеевика. На рисунке 10 показано, что увеличение температуры в два раза позволяет снизить напряжения в 1,5 раза.

300 400 500 t, C Рисунок 10 - Зависимость эквивалентных напряжений от первоначального нагрева трубы Хотя процедура увеличения температуры предварительного подогрева и позволяет снизить напряжения в сварном шве при прохождении фронта горения, тем не менее, не удается ликвидировать опасного накопления повреждений.

Вычислительный эксперимент позволил показать, что прохождение фронта горения со стороны трубы с более толстой стенкой более опасно, чем со стороны трубы с более тонкой стенкой. Эти сведения позволяют прогнозировать для конкретных конфигураций сопряжения труб время наступления предельного состояния. С помощью встроенной модели билинейного кинематического уплотнения в среде «ANSYS» проведен нелинейный статический анализ узла сопряжения труб для условий паровыжига. Нагрузка, прикладываемая в виде фронта горения, действует минуты при температуре 950 С. Расчеты показали, что после последовательных паровыжигов кокса напряжения превышали предел прочности материала и наблюдалось разрушение модели в области зоны термического влияния со стороны «старой» трубы.

Поскольку несоосность свариваемых при ремонте труб существенно влияет на напряженное состояние в зоне сопряжения, предлагается конструкция устройства для предотвращения смещения осей (рисунок 11).

Устройство позволяет центрировать три свариваемые между собой трубы независимо от величины износа толщины стенки.

На основании проведенных исследований сделаны рекомендации по совершенствованию режима эксплуатации змеевика печи процесса пиролиза углеводородов.

Рисунок 11 - Устройство для центрирования труб перед сваркой ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1 Конечно-элементным методом разработана модель сварного соединения труб змеевика печи пиролиза углеводородов, имеющего геометрические неоднородности типа разнотолщинности и смещения осей труб. На языке автоматического программирования «APDL» разработана программа, реализующая напряженно-деформированное состояние в сварном шве на различных стадиях процесса. Разработана процедура решения статической задачи деформирования сварного соединения в упругой области в среде ПК «ANSYS».

2 Впервые изучено распределение механических свойств стали 20Х23Нв зоне сварных соединений труб с различным временем эксплуатации.

Показано экстремальное во времени распределение значений предела прочности и условного предела текучести, измеренных при нормальных условиях. Отсутствие аналогичного минимума на графике зависимости ударной вязкости от времени эксплуатации указывает на сложные изменения фазового состава стали.

3 Анализ микроструктуры образцов стали, отобранных из сварных соединений труб печи пиролиза показал, что изначальная структура аустенита с небольшим содержанием карбидов хрома в процессе эксплуатации претерпевает изменения. Сначала образуется сигма-фаза на фоне растворения карбидов хрома. В дальнейшем при эксплуатации более 10000 часов наблюдается распад -фазы с образованием мелкой сетки карбидной эвтектики и сети микротрещин, что и приводит к резкому охрупчиванию металла сварного шва.

4 Вычислительный эксперимент показал, что геометрические неоднородности создают в сварном шве НДС, при котором повышение температуры свыше 660 С приводит к реализации деформаций в упругопластической области. Исходя из регламентных рабочих условий эксплуатации, нельзя допускать утонение труб более чем на 25% от номинальной толщины, поскольку при соединении разнотолщинных труб возникают пластические деформации.

5 Для условий паровыжига показано, что условные эквивалентные напряжения значительно превышают предел прочности материала в сварных швах с геометрической неоднородностью и переводят их работу в пластическую область. Повышение температуры предварительного подогрева змеевика в процессе паровыжига в 2 раза по отношению к регламентной позволяет снизить максимальные напряжения в сварном шве более чем в 1,раза. Вычислительный эксперимент показал, что движение фронта горения кокса со стороны трубы с толстой стенкой более опасное, чем движение в противоположном направлении. Решение упругопластической задачи для сопряжения труб в условиях паровыжига кокса показало, что на 10-м цикле нагружения происходит разрушение в области зоны термического влияния (ЗТВ).

6 Разработана конструкция устройства для предотвращения смещения осей свариваемых разнотолщинных труб при ремонте змеевика. Рекомендации по улучшению условий работы змеевиков печей пиролиза углеводородов переданы для реализации на ОАО «Уфаоргсинтез».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Кинев С.А., Кузеев И.Р. Механизм накопления повреждений в трубах змеевиков печей для проведения пиролиза углеводородов//Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч.

статей. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2001.- № 11.-С.102-104.

2. Чиркова А.Г., Кинев С.А., Авдеева Л.Г. О возможности проведения диагностики труб змеевиков печи пиролиза//Третья Всероссийская научнопрактическая конференция «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций»: Сб. тез.-Уфа, 2002.- С.173.

Pages:     | 1 || 3 |






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