Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ СОСТАВНОЙ ОБОЛОЧКИ С УЧЕТОМ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ

Белов А.В., Поливанов А.А., Попов А.Г.
На основе системного подхода 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. В качестве примера определено напряженно-деформированное состояние составной конической оболочки при совместном учете факторов, влияющих на ее прочность и долговечность: воздействие высокой температуры, возникновение пластических деформаций, развитие деформаций ползучести, накопление повреждений в материале при ползучести и деградации механических свойств материала вследствие высокотемпературной водородной коррозии.
тонкостенные оболочки
высокотемпературная ползучесть
водородная коррозия

В статье изложена разработанная авторами [1, 2, 5, 7] методика решения комплексной задачи по оценке прочности и долговечности стальных оболочек вращения с учетом деформаций и повреждаемости материалов вследствие ползучести и высокотемпературной водородной коррозии.

В качестве примера определено напряженно-деформированное состояние (НДС) составной оболочки при совместном учете факторов, влияющих на ее прочность и долговечность: воздействие высокой температуры, возникновение пластических деформаций, развитие деформаций ползучести, накопление повреждений в материале при ползучести и деградации механических свойств материала вследствие высокотемпературной водородной коррозии.

Задача решалась в термовязкоупругопластической постановке, с учетом повреждаемости материалов при ползучести и водородной коррозии;

Учет влияния высокотемпературной водородной коррозии на механические свойства материалов осуществляется с использованием модели воздействия на оболочку водородосодержащей среды [4], в соответствии с которой влияние водорода на свойства материала представляется в виде дифференциального уравнения для параметра химического взаимодействия водорода с материалом конструкции µ, изменяющегося от µ0 до µКР, принадлежащего интервалу (0; 1) и характеризующего степень повреждения материала вследствие водородной коррозии:

1 (1)

с начальными условиями:

 t = 0, μ = μ0(p, T, ωС). (2)

Здесь k (p, T, ωС) - коэффициент, учитывающий влияние давления p, температуры T и степени поврежденности материала вследствие ползучести ωС на кинетику химических превращений, приводящих к деградации физико-механических свойств материала.

Воздействие водорода на материал начинается с поверхности оболочки, непосредственно контактирующей с водородосодержащей средой, и проявляется в обезуглероживании материала. По мере проникновения водорода в материал этот процесс распространяется 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 для оболочки определяется следующим выражением [4]:

f

3 (3)

где z - глубина обезуглероживания, отсчитываемая от поверхности контакта оболочки с водородом; h - толщина оболочки; rв - внутренний радиус оболочки; tфронта - время, которому соответствует определяемая глубина обезуглероживания; m, λ - константы материала; u, B - коэффициенты; Т - температура; Рв - давление на внутренней поверхности оболочки.

Для исследования стадии распространения поврежденности материала оболочки в первом приближении используется метод, предложенный Л.М. Качановым [3], основанный на изучении перемещения фронта повреждаемости (поверхности, разграничивающей разрушенную и неразрушенную области материала).

Таким образом, исследуя историю изменения НДС оболочки с учетом перемещения фронта обезуглероживания и повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии и используя соответствующие критерии мгновенной и длительной прочности [6], можно оценить ее несущую способность и долговечность с учетом воздействия всех вышеназванных факторов.

В качестве примера рассмотрено НДС равномерно нагретой до температуры 500°С оболочки, находящейся под воздействием давления водорода. Оболочка изготовлена из материала сталь 20 и имеет геометрические размеры, как показано на рис. 1.

1 

Рис. 1. Толщина первого участка 40 мм (конусность 30°), третьего - 30 мм (конусность 10°).
Второй участок является переходным (конусность 1,575°)

Давление водорода осуществляется с внутренней стороны. Константы и коэффициенты материала в соотношениях (1), (2), (3) были взяты из [4]. Влияние уровня напряжений на скорость обезуглероживания в данном расчете не учитывалось.

Некоторые результаты расчета данной оболочки с учетом воздействия водорода приведены на рис. 2, 3.

Из графиков видно, что воздействие водородосодержащей среды снижает время до разрушения данной оболочки на 50-60 %. Наиболее нагруженными точками оболочки являются точки внутренней поверхности. Локальное разрушение во всех случаях происходит в точке внутренней поверхности с меридиональной координатой S = 0,457 м.

Предложенная авторами методика позволяет повысить точность расчета тонкостенных осесимметричных конструкций сложной формы, работающих в условиях высоких температур, ползучести материала и воздействия высокотемпературной водородной коррозии.

pic 

Рис. 2. Зависимость времени локального разрушения от внутреннего давления
 при постоянной толщине стенок оболочки:
кривая 1 соответствует расчету без учета воздействия водородосодержащей среды;
кривая 2 - c учетом воздействия водородосодержащей среды

pic 

Рис. 3. Диаграммы окружных напряжений в этих точках в различные моменты времени
для давления Р = 2,5 МПа. Кривая 1 соответствует началу процесса нагружения;
кривая 2 - моменту времени t = 280 ч. (непосредственно перед разрушением);
кривая 3 - моменту времени t = 281 ч. (сразу после локального разрушения)

Список литературы

  1. Белов А.В. Осесимметричное упругопластическое напряженно-деформированное состояние оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Киев, 1989. - 18 с.
  2. Белов А.В., Поливанов А.А., Попов А.Г. Современные проблемы науки и образования. - 2008. - №1. - С. 48-53.
  3. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. - М.: Наука, 1974. - 311 с.
  4. Овчинников И.Г., Хвалько Т.А. Работоспособность конструкций в условиях высокотемпературной водородной коррозии. - Саратов, 2003. - 176 с.
  5. Поливанов А.А. Осесимметричное упругопластическое деформирование многослойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Волгоград, 2004. - 19 с.
  6. Методика решения осесимметричной задачи термовязкопластичности для слоистых оболочек на ЕС ЭВМ / Ю.Н. Шевченко, М.Е. Бабешко, И.В. Прохоренко. - Киев: Наук. думка, 1981. -66 с.
  7. Bagmutov V., Belov A., Polivanov A. Damage Calculation Features of Multi-layered Shells of Rotation at Thermo - Viscous - Elasto - Plastic Strain // MECHANIKA. - 2004. - №3(47) - Р. 19-23.

Рецензенты:

Клевцов Г.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Физика металлов и наноструктур» Оренбургского государственного университета, г. Оренбург;

Халтурин В.Г., д.т.н., профессор кафедры ООС Пермского государственного технического университета Министерства образования и науки РФ, г. Пермь;

Богданов Е.П., д.т.н., профессор кафедры «Информационные системы в экономике» Волгоградского кооперативного института Российского университета кооперации (филиал), г. Волгоград;

Богомолов А.Н., д.т.н., профессор, проректор по научной работе ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», г. Волгоград.

Работа поступила в редакцию 09.03.2011.


Библиографическая ссылка

Белов А.В., Поливанов А.А., Попов А.Г. ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ СОСТАВНОЙ ОБОЛОЧКИ С УЧЕТОМ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8-1. – С. 103-105;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=26793 (дата обращения: 15.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252