На основе системного подхода авторами разработана методика решения комплексной задачи по оценке прочности и долговечности стальных оболочек вращения с учетом необратимых деформаций, повреждаемости материалов вследствие ползучести и высокотемпературной водородной коррозии [1–3, 8].
Для моделирования развития необратимых деформаций использована теория неизотермических процессов упругопластического деформирования элементов твёрдого тела по траекториям малой кривизны в случае нестационарного термосилового нагружения с возможностью исследования истории нагружения [6, 7].
Цель исследования. Коррозионное воздействие водорода на различные стали в настоящее время изучено достаточно хорошо и на эту тему имеется множество публикаций, в которых показано, что влияние водорода существенным образом сказывается на изменении вида диаграммы деформирования углеродистых сталей, при этом снижаются прочностные и пластические свойства сталей, и происходит их охрупчивание, ухудшаются длительные прочностные характеристики сталей. Таким образом, основной задачей исследователей является определение функции времени перехода механических характеристик сталей из исходного состояния в обезуглероженное. Практически используется несколько подходов, подробно изложенных авторами в публикациях [2, 8].
Материалы и методы исследования
Технически учёт влияния водорода на прочностные свойства конструкции реализован следующим образом. Для каждого из материалов конструкции введены механические характеристики двух его состояний – исходного и обезуглероженного.
Процесс нагружения оболочки будем разбивать на ряд малых по времени этапов Dt, в течение которых эти параметры можно принять постоянными, причем длительность этапов также может изменяться в зависимости от скорости изменения давления и температуры. Оболочку разбиваем на малые элементы, напряженно-деформированное состояние, а также степени поврежденности и обезуглероживания которых можно принять однородными. На каждом этапе нагружения и для каждого элемента оболочки будет вычисляться приращение параметра химического взаимодействия водорода с материалом конструкции Dm(Dt). Если процесс обезуглероживания отсутствует (инкубационный период не завершен), то для расчета параметров напряженно-деформированного состояния берутся исходные механические характеристики материала. Если в материале уже происходит процесс обезуглероживания, но он еще полностью не завершен, то значения механических характеристик материала на этой стадии расчета вычисляются путем линейной интерполяции в зависимости от текущего значения m(t) между исходным и обезуглероженным состояниями. Если процесс обезуглероживания завершен, то для расчета берутся характеристики обезуглероженного материала.
В случае использования упрощённой модели химического взаимодействия [2] со ступенчатым переходом к обезуглероженному состоянию для каждого элемента оболочки вычисляется значение tкр (периода активных химических превращений), при наступлении которого и осуществляется переход к обезуглероженному состоянию.
С использованием этого подхода авторами разработана методика, позволяющая исследовать историю изменения осесимметричного упругопластического напряженно-деформированного состояния однослойных и многослойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии, а также оценивать их несущую способность и долговечность. Использование этой методики позволит решать целый ряд важных технических задач, таких как расчет на прочность, оценка несущей способности, долговечности и остаточного ресурса, а также задачи проектирования оптимальных конструкций, применяемых в энергетическом и химическом машиностроении.
Описание расчётного эксперимента
В качестве примера рассмотрим равномерно нагретую двухслойную кольцевую пластину, находящуюся под воздействием давления водорода. Пластина имеет следующие геометрические размеры: R = 110 мм, r = 65 мм, d = 10 мм (рис. 1). Верхний слой (1), обращённый к водородосодержащей среде, изготовлен из материала 12Х18Н9Т, а нижний (2) – из материала сталь 20.
Рис. 1. Расчётная модель
Давление водорода осуществляется на верхнюю поверхность пластины и постоянно во времени, при этом внешний и внутренний кольцевые контуры имеют шарнирно-неподвижное опирание. Давление водорода принималось равным 5, 7,5 и 10 МПа. Выбор значений обусловлен следующими соображениями: при 5 МПа в материале пластины имеют место только мгновенные упругие деформации и деформации ползучести, а при 7,5 и 10 МПа – еще и мгновенные пластические. Все расчеты приведены для температуры 500 °С.
Константы материала в соотношениях были взяты из [4], которые для стали 20 при данных условиях нагружения принимают следующие значения: k = 1,49⋅10–5 (МПа)∙u, ч; u = 1,73; B = 13500; l = 1…10. Согласно данным, приведённым в работе [4], механический сплав 12Х18Н9Т под воздействием водорода практически не изменяется.
Влияние уровня напряжений на скорость обезуглероживания в данном расчете не учитывалось, поскольку для этого требуются дополнительные исследования.
В работе исследовалось влияние толщины защитного слоя 12Х18Н9Т на длительную прочность оболочки, а также распределение зон пластичности и повреждаемости в моменты времени до разрушения, перед разрушением и непосредственно после него.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 2 приведены графики, показывающие время до разрушения оболочки в зависимости от толщины защитного слоя при разных давлениях. Видно, что введение защитного слоя значительно увеличивает время до разрушения пластины. Используя такие графики, можно подобрать требуемую толщину защитного слоя при заданном ресурсе изделия.
Рис. 2. Время до разрушения оболочки в зависимости от толщины защитного слоя при разных давлениях
На рис. 3 показано осевое сечение пластины для толщины защитного слоя 1 мм и давлении 7,5 МПа для разных моментов времени. В левой части рисунка черным цветом показаны зоны пластичности, в правой части – зоны повреждаемости в градациях серого. На рисунке видно, что в начале процесса нагружения в нижней части пластины появляется небольшая зона пластичности, размеры которой практически не меняются вплоть до начала процесса разрушения.
Рис. 3. Осевое сечение пластины для толщины защитного слоя 1 мм и давлении 7,5 МПа для разных моментов времени
По мере накопления повреждений в нижнем слое пластины происходит перераспределение напряжений и появление новых зон пластичности. Локальное разрушение происходит в нижней части пластины в точке, отстоящей от края отверстия на 20 мм к моменту времени 3579 часов.
На рис. 4 и 5 приведены кривые, показывающие распределение меридиональных и окружных напряжений для верхней и нижней поверхностей пластины соответственно.
Рис. 4. Распределение меридиональных и окружных напряжений для верхней поверхности пластины
Рис. 5. Распределение меридиональных и окружных напряжений для нижней поверхности пластины
Значения времени такие же, как и на рис. 3. На этих графиках также видно перераспределение напряжений по мере развития пластических деформаций и накопления повреждений от нижнего слоя к верхнему, более прочному и менее нагруженному.
Заключение
Таким образом, исследуя историю изменения напряженно-деформированного состояния с учетом перемещения фронта обезуглероживания и повреждаемости материалов при ползучести и используя соответствующие критерии мгновенной и длительной прочности, можно оценить ее несущую способность и долговечность с учетом воздействия всех вышеназванных факторов.
Рецензенты:
Богомолов А.Н. д.т.н., профессор, проректор по научной работе, ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», г. Волгоград;
Богданов Е.П., д.т.н., профессор кафедры «Информационные системы и технологии», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград.
Работа поступила в редакцию 01.08.2013.