Определение ресурса безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением с дефектами швов приварки патрубков штуцеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат наук Сабитов, Марат Хисматуллович

• Сабитов, Марат Хисматуллович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Сабитов, Марат Хисматуллович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Обзор работ, посвященных оценке напряженно - деформированного состояния узлов врезки штуцеров в обечайках и днищах

1.1.1. Конструктивные решения по укреплению отверстий в обечайках и днищах сосудов

1.1.2. Обзор работ, посвященных методам расчета напряжений в узлах врезки штуцеров в обечайках и днищах

1.1.3. Обзор работ, посвященных оценке напряжений в узлах врезки штуцеров в обечайках и днищах методом конечных элементов

1.2. Обзор работ по оценке прочности сосудов при малоцикловых нагрузках

1.3. Обзор работ, посвященных влиянию дефектов сварки на прочность сосудов, работающих под давлением

1.4. Выводы к литературному обзору

ГЛАВА 2. Конечно - элементное моделирование упругопластического

деформирования штуцерных узлов

2.1. Создание конечно - элементной модели исследуемого объекта

2.1.1. Выбор расчетной схемы и типа конечного элемента для упругого и упруго - пластического расчета

2.1.2. Задание свойств материала

2.1.3. Построение оболочечной модели исследуемого объекта

2.1.4. Задание граничных условий и нагрузок оболочечной модели

2.1.5. Получение решения для оболочечной модели

2.1.6. Построение подконструкции

2.1.7. Задание граничных условий и нагрузок подконструкции

2.1.8. Решение задачи для подконструкции

2.2. Расчетная процедура упруго - пластического анализа

2.3. Выбор расчетного конечного элемента и размеров сетки

2.3.1. Выбор оптимальных размеров сетки оболочечных элементов

2.3.2. Оценка точности модели с использованием твердотельных элементов в форме гексаэдров

2.4. Моделирование трещин и расчет параметров трещиностойкости

2.4.1. Определение коэффициентов интенсивности напряжений прямым методом

2.4.2. Определение /-интеграла и соответствующего ему коэффициента интенсивности напряжений

2.5. Выводы к главе 2

ГЛАВА 3. Анализ процесса упругопластического деформирования штуцерных узлов обечаек при статическом и циклическом нагружении внутренним давлением

3.1. Сравнительный анализ результатов расчетов НДС штуцерных узлов сосудов при статическом нагружении

3.2. Упругопластическое деформирование штуцерных узлов при повторных нагружениях внутренним давлением

3.3. Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. Оценка прочности и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, в условиях малоциклового нагружения, с учетом наличия технологических и эксплуатационных дефектов в

штуцерных узлах

4.1. Сравнительный анализ результатов расчета параметров трещиностойкости методом конечных элементов

4.1.1. Плоский прямоугольный образец с центральной трещиной для испытаний на осевое растяжение

4.1.2. Прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний на внецентренное растяжение

4.1.3. Плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытаний

на трехточечный изгиб

4.2. Выбор основных расчетных дефектов в штуцерных узлах и расчет параметров трещиностойкости

4.2.1. Анализ протяженных дефектов

4.2.2. Анализ локальных дефектов

4.3. Оценка остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, на основании анализа напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов с учетом расчетных дефектов

4.4. Оценка ресурса безопасной эксплуатации газосепараторов

4.5. Оценка ресурса безопасной эксплуатации пылеуловителей

4.6. Выводы к главе 4

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение ресурса безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением с дефектами швов приварки патрубков штуцеров»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Сосуды и аппараты, работающие под давлением, являются основным элементом различных технологических систем химических предприятий и предприятий смежных отраслей промышленности. Безопасная эксплуатация сосудов обеспечивает функционирование и развитие современных предприятий. На сегодняшний день остаются до конца не решенными задачи оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов. Актуальность данных задач обусловлена, в первую очередь, экономическими причинами: высокой стоимостью оборудования и необходимостью эксплуатации стареющего парка оборудования отработавшего проектный ресурс; возросшей конкуренцией в условиях рыночной экономики, требующей снижения себестоимости производства; ухудшением ремонтной базы предприятий и снижением производственной дисциплины.

В связи с чем, разработка научно-методических основ для оценки остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, гарантирующих безопасную эксплуатацию, является чрезвычайно актуальной.

Объектом настоящего исследования являются штуцерные узлы сосудов, работающих под давлением. Практика проектирования и эксплуатации сосудов, работающих под давлением, свидетельствует, что по уровню напряженно -деформированного состояния узлов пересечения патрубков штуцеров с обечайками и днищами приходится оценивать остаточный ресурс сосуда в целом, особенно в условиях малоциклового нагружения. В то же время, анализ напряженно-деформированного состояния указанных узлов является сложной исследовательской проблемой, даже при отсутствии каких - либо дефектов.

Анализ причин аварий и инцидентов при эксплуатации сосудов, работающих под давлением, показывает, что в большинстве случаев опасными дефектами являются острые дефекты в местах конструктивной концентрации

напряжений, возникшие при изготовлении и эксплуатации - дефекты сварки и коррозионные язвы, способные привести к разгерметизации и разрушению сосудов.

Для полной оценки остаточного ресурса оборудования, работающего под давлением, необходимо располагать комплексом методических и программных документов, позволяющих провести оценку напряженно - деформированного состояния в зонах конструктивной концентрации напряжений сосудов, с учетом наличия трещиноподобных дефектов и их влияния на прочность конструкции в целом.

Существующие на сегодняшний день нормативные документы по расчету сосудов, работающих под давлением, не позволяют провести оценку прочности с учетом обнаруживаемых дефектов, в связи с чем, исследование, посвященное анализу напряженно - деформированного состояния сосудов с трещиноподобными дефектами в штуцерных узлах, является актуальным и отвечающим потребностям промышленности.

Цель работы - разработка методики оценки прочности и остаточного ресурса сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением с учетом наличия трещиноподобных дефектов в штуцерных узлах с использованием метода конечных элементов, реализуемого в компьютерном комплексе «А№У8» и результатов экспериментальных исследований трещиностойкости сталей.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

Основные задачи работы:

1. Анализ существующих методов оценки и результатов экспериментальных исследований напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов сосудов при статическом и малоцикловом нагружении внутренним давлением;

2. Анализ экспериментальных исследований влияния технологических и эксплуатационных дефектов на прочность сосудов, работающих под давлением и существующих методов оценки работоспособности сосудов с дефектами;

3. Разработка алгоритма построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической обечайке, позволяющего учесть особенности конструктивного оформления узла, геометрию и расположение трещиноподобных дефектов, механические характеристики материала, действующие нагрузки;

4. Разработка алгоритма расчета параметров механики разрушения для оценки прочности штуцерных узлов с трещиноподобными дефектами;

5. Оценка достоверности получаемых результатов напряженно — деформированного состояния путем сравнения с результатами аналитических расчетов и результатами экспериментальных исследований;

6. Анализ упруго - пластического деформирования штуцерных узлов, содержащих трещиноподобные дефекты, в условиях циклического нагружения внутренним давлением;

7. Практическое применение конечно - элементной модели для оценки остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением.

Методом решения поставленных задач явилось математическое моделирование с использованием метода конечных элементов.

Научная новизна.

1. Разработан алгоритм построения конечно - элементной модели штуцерных узлов с учетом конструктивных параметров, механических свойств, нагрузок с включением в модель трещинопобных дефектов;

2. Впервые разработан и апробирован алгоритм расчета параметров трещиностойкости - интеграла Райса-Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений трещин в штуцерном узле для условий упруго - пластического циклического деформирования;

3. Разработана методика оценки остаточного ресурса сосудов на основе получаемых параметров трещиностойкости с использованием результатов экспериментальных исследований скорости роста трещин в конструкционных сталях и их сварных швах.

Достоверность основных положений и выводов обеспечивается использованием закона сохранения энергии при формировании системы

уравнений метода конечных элементов и определении параметров трещиностойкости, сравнительным анализом расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований напряженно — деформированного состояния натурных сосудов, работающих под давлением и использованием экспериментальных результатов определения параметров трещиностойкости конструкционных сталей и их сварных швов.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм построения конечно - элементной модели штуцерного узла в цилиндрической обечайке;

2. Алгоритм расчета параметров трещиностойкости - коэффициента интенсивности напряжений и интеграла Райса-Черепанова для трещин в условиях циклического упруго - пластического нагружения;

3. Результаты оценки напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов с трещиноподобными дефектами в условиях циклического нагружения внутренним давлением с использованием интеграла Райса -Черепанова и коэффициента интенсивности напряжений;

4. Методика оценки остаточного ресурса на основании расчетных величин параметров трещиностойкости и результатов экспериментальных исследований скорости роста трещин в конструкционных сталях и сварных швах.

Практическая ценность результатов работы:

1. В совершенствовании существующих методов оценки напряженно -деформированного состояния сосудов, работающих под давлением, в части уточненных расчетов на прочность штуцерных узлов с учетом наличия в конструкции укрепляющих элементов;

2. В совершенствовании существующих методов вычисления коэффициентов интенсивности напряжений, характеризующих напряженно -деформированное состояние трещиноподобных дефектов в сварных швах сосудов, работающих под давлением, в части учета пластического деформирования и его влияния на расчетные коэффициенты интенсивности напряжений;

3. Методика расчета, рассмотренная в работе, разработана для использования экспертными организациями при оценке остаточного ресурса сосудов, отработавших проектный ресурс, в тех случаях, когда имеются условия для появления усталостных трещин - циклическое нагружение внутренним давлением, дефекты сварных швов, а также необходима оценка прочности по критерию хрупкого разрушения.

Реализация и внедрение результатов работы. Программные и методические разработки диссертации используется экспертной организацией ЗАО «Инженерно - технический центр «Регионтехдиагностика» (г.Казань) при определении остаточного ресурса и для обоснования необходимости ремонта оборудования (справка №П-84-13 от 25.06.2013), экспертной организацией ООО «Анализ и экспертиза» (г.Казань) при определении остаточного ресурса оборудования (справка №260-1/13 от 27.06.2013). Программные и методические разработки диссертации используются при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Расчет сосудов нефтегазопереработки методом конечных элементов» образовательной программы «Безопасная эксплуатация оборудования производств глубокой переработки углеводородного сырья» по направлению подготовки магистров 151000.68 «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «КНИГУ» (справка №110-4006/1-6-4/10 от 16.10.2013). Копии документов приведены в Приложении к диссертации.

Апробация работы.

Основные результаты исследований, представленные в работе, докладывались на научных сессиях ФГОУ ВПО КНИГУ (Казань, 2002-2012), на Межрегиональной научно - практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» (г.Нижнекамск, 2004), Международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго - и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (г.Иваново, 2007), XXV и XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2012-2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах и тезисах докладов. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов к работе, списка использованной литературы, включающего 87 наименований и приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 15 таблиц.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Обзор работ, посвященных оценке напряженно - деформированного состояния узлов врезки штуцеров в обечайках и днищах

1.1.1. Конструктивные решения по укреплению отверстий в обечайках и днищах сосудов

Практика эксплуатации стальных сварных сосудов, работающих под давлением, выработала ряд требований к конструктивному оформлению узлов сосудов.

Отверстия в стенках корпуса, днища сварного сосуда, работающего под давлением, ослабляют стенки, поэтому должны быть большей частью укреплены.

Наличие ввариваемого патрубка штуцера, который сам по себе является жестким элементом, является укреплением отверстия, однако существуют и другие конструктивные варианты укрепления отверстий, наиболее распространенные приведены на рисунке 1.1.

Конструктивное оформление штуцерного узла в большей степени зависит от следующих факторов: назначения сосуда, характера нагружения, размера и формы отверстия, места расположения отверстия, расстояния от отверстия до других концентраторов напряжений.

Для определения основных размеров укрепляющих элементов в Российском стандарте [12], а также в зарубежных нормах используется метод, основанный на геометрическом критерии компенсации вырезанного сечения. Для формулирования принципа компенсации вырезанного сечения (рисунок 1.2) рассматривают величины Рт ^ и ^ - площади сечения, соответственно, «избыточного» металла штуцера, корпуса и компенсируемая (подлежащая восстановлению) площадь сечения металла, удаленного из стенки сосуда для получения отверстия.

/

/

•5, /

и 1 /

1 / /

1\\\\\\V

а)

б)

в)

ч\

/

г) Д) е)

Рисунок 1.1 - Конструкции укрепления отверстий в стенках аппаратов: а) -укрепление штуцером; б) - укрепление пропущенным штуцером; в) - укрепление фланцем; г) - укрепление штуцером и накладным кольцом; д) - укрепление пропущенным штуцером и накладным кольцом; е) - укрепление отбортовкой и штуцером

Под «избыточным» понимают необходимый для укрепления отверстия металл в сечении стенки корпуса или штуцера, расположенный вне соответствующих расчетных толщин и не выходящий за границы зоны

укрепления /к, /п. Расчетные толщины ящ определяются по ГОСТ Р 52857.2 -2007 [11] для корпуса и штуцера независимо, то есть без учета их взаимодействия и ослабления корпуса отверстием.

Условие компенсации Рп + Рк > Р должно выполняться для всех сечений, проходящих через ось штуцера.

Различные отечественные и зарубежные нормы отличаются способами определения и Т7. В частности, по - разному определяют границы зоны

укрепления в штуцере 1п и корпусе 1К, наибольший расчетный диаметр не укрепляемого отверстия с10.

Различным образом сочетают и конструктивные требования. Так, в соответствии с [81,87] требуется, чтобы две трети укрепляющего металла располагалось в непосредственной близости от кромки отверстия. При этом место расположения укрепляющего металла (в стенке штуцера или в стенке корпуса) не имеет значения. Но с увеличением диаметра отверстия предусмотрено увеличение доли металла, расположенного в корпусе сосуда. Особенности регламентации каждых норм сбалансированы и проверены опытом эксплуатации.

Метод компенсации вырезанного сечения применяется при проектировании сосудов и аппаратов из пластических в условиях эксплуатации металлов, когда допускается возникновение малых упруго - пластических деформаций в узких зонах краевых напряжений. В качестве предельной нагрузки принимается внутреннее давление, при котором в расчетном сечении стенка сосуда деформирована до предела текучести по всей толщине [8].

Таким образом, при определении основных размеров укрепляющих элементов сравнительная оценка напряженно - деформированного состояния штуцерных узлов не проводится.

1.1.2. Обзор работ, посвященных методам расчета напряжений в узлах врезки штуцеров в обечайках и днищах

Экспериментальные исследования напряженно - деформированного состояния сосудов с использованием метода тензометрирования [7, 10, 50] выявили, что вблизи вырезов и мест приварки штуцеров в обечайках и днищах сосудов возникают местные напряжения, которые в 2^4 раза превышают номинальные напряжения. Напряжения по мере удаления от выреза быстро затухают до уровня номинальных напряжений.

Согласно [75], нормы и методы расчета, основанные на анализе напряженно - деформированного состояния в зоне вырезов, необходимо использовать при расчетах сосудов и аппаратов, изготовляемых из хрупких металлов или имеющих хрупкие покрытия, а также сосудов и аппаратов, выполненных из металлов, переходящих в хрупкое состояние в условиях низких температур, или работающих при периодически изменяющихся нагрузках, способных вызвать усталостные разрушения материала конструкции. Такие нормы и методы расчета следует применять и в тех случаях, когда возможно появление деформаций, способных существенно ускорить коррозионные процессы и снизить срок службы сосудов.

Большинство имеющихся в настоящее время аналитических методов расчета напряжений в сосудах, работающих под давлением, получены с использованием линейной моментной теории оболочек [46]. Следует отметить, что линейная моментная теория оболочек применима при условии, что напряжения в конструкции не превосходят предела пропорциональности, перемещения точек оболочки значительно меньше ее толщины, а нормальными к срединной поверхности напряжениями можно пренебречь в виду их малости. Такие условия обуславливают геометрическую и физическую линейность теории.

Г.И. Феденко [75,76] применил уравнения линейной теории оболочек, описывающие прогибы, углы поворота сечений, осевые и окружные усилия,

моменты и поперечные силы в осесимметрично нагруженной цилиндрической оболочке для описания напряженно - деформированного состояния пересекающихся цилиндрических оболочек, каковыми являются цилиндрическая обечайка и штуцер соответственно. Допустимость такого предположения [2] была вызвана необходимостью разработки упрощенного стандартного метода расчета. В итоге, в ЛенНИИХиммаше была получена приближенная методика расчета напряжений в штуцерных узлах, которая также была доработана для штуцеров в конических обечайках и эллиптических днищах [21,22], данная методика легла в основу ряда нормативных документов по расчету [54,55].

Для цилиндрической оболочки, нагруженной равномерным внутренним давлением, напряжения вычисляются по следующим уравнениям [46]:

Осевые и кольцевые напряжения в обечайке, соответственно:

Знак «+» - для наружной поверхности, знак «-» - для внутренней поверхности.

Силы и моменты, входящие в уравнения, а также прогиб со и угол поворота сечения (р определяются по уравнениям:

Ы2=^-,Ык =(Асоъ{кх)-Вът{кх)Укх М, = -с(Лзт(Ь:)+Бсо5(Ь:))г;Ьс, Мк = /лМ:,

И

ф=-

2Еу

(А со$(кх)- В5т(*х)>гь + 1 -

2

ч

2

ер =—((А + Б)со&(кх)+(А - В)5т(кх)Укх, 2Ея

где х - координата расчетной точки, отсчитываемая от границы оболочки;

V д2*2 '

с = -. *—г-; А,В - постоянные, определяемые из граничных

Щ^м2)

условии.

Записав аналогичные уравнения для прогиба, угла поворота сечения, сил, моментов патрубка, из граничных условий (р = -срп, М2 = М" находят постоянные

А,В и вычисляют напряжения. <рп ,М" - угол поворота сечения и осевой момент патрубка.

Автор указывает, что для сварной конструкции формулы применимы за пределами сварного шва, при этом цилиндрическая оболочка меньшего диаметра должна удовлетворять условиям тонкостенности, а расстояние до соседних концентраторов напряжений на обечайке должно быть больше *JT)s .

1.1.3. Обзор работ, посвященных оценке напряжений в узлах врезки штуцеров в обечайках и днищах методом конечных элементов

С развитием компьютерной техники появилась возможность использовать для решения задач механики сплошных сред численные методы исследования. Наиболее распространенным численным методом для расчета конструкций является метод конечных элементов (МКЭ) [9,22,23].

Метод конечных элементов положен в основу ряда коммерческих программных продуктов, используемых для расчета конструкций, это такие универсальные программные продукты как ANSYS, NASTRAN, ASKA, COSMOS/M, MARK/MENTAT, которые предназначены для решения широкого круга задач.

Имеется ряд публикаций [60-69], посвященных разработке и использованию специализированной вычислительной программы для анализа напряженного состояния штуцерных узлов - SAIS (Stress Analysis in Intersecting Shells). Автором программы разработана прикладная методика расчета соединений пересекающихся оболочек. Она базируется на использовании теории оболочек (в различных вариантах - теорий тонких оболочек, оболочек средней толщины, анизотропных оболочек), теории упругости и метода конечных элементов.

Программные возможности включают прочностной анализ конструктивных объектов типа пересекающихся оболочек наиболее распространенной конфигурации:

а) тройниковых, крестообразных коленных соединений цилиндрических оболочек;

б) трубчатых соединений, где основная оболочка является сплошной (без отверстия);

в) конической, сферической, эллипсоидальной оболочки с цилиндрическим патрубком (штуцером);

г) соединений оболочек с тороидальной отбортовкой (вставкой);

д) подкрепленных соединений оболочек (с локальным интегральным или накладочным подкреплением и с пропущенным патрубком).

Реализованы различные виды статического нагружения: действие внутреннего давления, действие внешних сил и моментов, температурное воздействие, комбинированное нагружение, в том числе и термосиловое воздействие.

Анализ напряженного состояния соединений цилиндрических оболочек с различными геометрическими параметрами, выполненный с применением программы SAIS, позволил оценить влияние некоторых особенностей конструкции (например, влияние сварного шва) и используемой расчетной схемы (двумерной (оболочечной) и трёхмерной постановки задачи исследования) на характер распределения напряжений в зоне сопряжения оболочек [68,69].

Расчетные исследования возникающих напряжений для различных значений основных относительных геометрических параметров (d/ D, Dis, d!sx) пересекающихся оболочек позволяют рекомендовать применение оболочечной расчетной схемы при d! sx> 10, D/s> 10, что обеспечивает достаточную точность результатов определения максимальных напряжений [68]. Обычно расчетная схема тонких пересекающихся оболочек предполагает непосредственное сопряжение их по линии пересечения срединных поверхностей оболочек, реальное же соединение в зоне пересечения имеет сварной шов, который придает соединению дополнительную жесткость. Расчет с использованием оболочечных элементов и дополнительных стержневых криволинейных элементов,

имитирующих сварной шов [69], показал, что учет сварного шва снижает величину максимальных напряжений на 20...40%.

Сравнительный анализ двумерного (оболочечного) и трехмерного расчета [60,68] показывает, что в случае расчета по оболочечной расчетной схеме конструкций обечаек с толстостенными патрубками происходит занижение напряжений в толстостенном патрубке. Максимальные напряжения имеют место на внутренней поверхности оболочек в продольной плоскости соединения, проходящей через оси обеих оболочек, и быстро затухают на удалении от сварного шва.

Непосредственно в зоне пересечения оболочек имеет место сложное трехмерное напряженное состояние, поэтому при использовании оболочечной расчетной схемы для сравнения напряженных состояний целесообразно использовать эквивалентные напряжения, определяемые по энергетической теории прочности, так как удельная энергия деформации оболочек не зависит от выбранной расчетной схемы [68].

Использование трехмерного анализа конструктивных соединений типа пересекающихся оболочек позволяет учесть все особенности напряженного состояния конструкции, однако вычислительные затраты при этом на порядок выше [60].

Анализ напряженного состояния при термосиловом воздействии [70], с использованием смешанной модели оболочечных и криволинейных стержневых элементов в программе SAIS, выявил характерные особенности напряженного состояния конструкции. При температурном воздействии сказываются условия взаимодействия оболочек с упругими конструктивными элементами (компенсаторами), определяющими степень податливости поперечных сечений оболочек в осевом направлении. Перепад температур по толщине стенки Д77 вызывает в оболочках вне области пересечения чисто моментное напряженное состояние, которое определяется величиной перепада температур и характеристиками материала. Температурные напряжения от средней температуры стенки возникают только при ограничении свободного расширения

оболочек в осевом направлении и будут зависеть от геометрических параметров оболочки. В области пересечения и вблизи ее максимальные напряжения зависят от соотношения жесткостных характеристик оболочек. При отсутствии стесненности температурных деформаций в осевом направлении, проведенное сравнение напряжений при термосиловом нагружении с напряжениями только от внутреннего давления выявили, что температурная нагрузка может оказывать и положительное воздействие, приводя к снижению уровня общих напряжений по сравнению с напряжениями только от внутреннего давления. Наличие стесненности температурных деформаций оболочек в продольном направлении при температурном воздействии приводит к резкому увеличению уровня напряжений по линии пересечения оболочек [71].

Анализ публикаций автора программы SAIS показал, что для расчетного анализа оболочечных конструкций могут применяться разнообразные конечно — элементные модели. Описание основных расчетных конечно - элементных моделей приведено в [23], для расчета могут использоваться модели, основанные как на стержневой, плоской и объемной теории упругости.

Простейшим типом конечных элементов, который в числе первых использовался для моделирования оболочек произвольной формы, являются плоские треугольные элементы с узлами, расположенными в вершинах. При этом предполагается, что напряженное состояние оболочки может быть определено в рамках линейной теории Кирхгоффа, то есть напряженное состояние в срединной плоскости может быть описано с помощью обычного аппарата плоской задачи теории упругости, а напряженное состояние, возникающее при изгибе элемента -с помощью теории изгиба жестких пластин. Для таких элементов очевидно — чем меньше размер элемента, тем точнее результат решения. В примерах практического применения таких элементов [23] к расчету стального сосуда высокого давления с подкрепленным отверстием рекомендуется узкий утолщенный слой материала конструкции вблизи края отверстия аппроксимировать специальными элементами балочного типа или просто обычными треугольными (сильно вытянутыми) элементами.

Применение для описания геометрии элемента тех же функций, которые описывают поле перемещений внутри элемента, например, кубических полиномов, позволяет «преобразовать» плоский элемент с заданным числом узлов в реальный криволинейный элемент с таким же числом узлов. Такие элементы называются изопараметрическими оболочечными элементами [9,23,52] и применяются в современных программных продуктах, реализующих метод конечных элементов.

Для расчета оболочек могут использоваться конечно - элементные модели, реализующие объемное - трехмерное напряженное состояние. Простейшим элементом для таких задач является тетраэдр - элемент с четырьмя узлами. В случае тонкостенных оболочек использование трехмерных элементов осложнено тем, что для получения заданной степени точности размеры элементов должны быть соизмеримы с толщиной оболочки. Количество элементов, при этом, увеличивается, это приводит к большому числу уравнений, в результате увеличивается погрешность счета и необходимый объем памяти вычислительной машины [23]. В частном случае осесимметричной оболочки вращения исходная трехмерная модель может быть заменена совокупностью колец треугольного или четырехугольного поперечного сечения с соответствующей осесимметричной нагрузкой. Расчет сводится к решению двумерной задачи, так как поле перемещений может описываться только двумя компонентами в плоскости поперечного сечения, а именно радиальным перемещением и осевым смещением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сабитов, Марат Хисматуллович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аистов A.C. Расчет напряженно - деформированного состояния и циклической долговечности труб и тройниковых магистральных нефтепроводов / A.C. Аистов, М.Ф. Фокин // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. - М.: ВНИИОЭНГ, 1981.- №7.- С.18- 21.

2. Баянкин А.Н. Влияние угла наклона патрубка на долговечность цилиндрического корпуса / А.Н. Баянкин, А.И. Хейфец // Исследования в области прочности химического оборудования: Сб. науч. Тр. НИИхиммаш. - М., 1990. -С.76-81.

3. Броек Д. Основы механики разрушения: пер. с англ. / Давид Броек - М.: Высшая школа, 1980. - 368 с.

4. Бурнашев A.B. Исследование размерного распределения дефектов / A.B. Бурнашев, A.M. Большаков // Материалы IV Российской научно - технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». — Екатеринбург, ИМаш УрО РАН, 2009. - с.6

5. Виноградов С.Н. Конструирование и расчет элементов тонкостенных сосудов: учеб. Пособие / С.Н. Виноградов, К.В. Таранцев. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 136 с.

6. Винокуров В.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности / В.А. Винокуров, С.А. Куркин, Г.А. Николаев; Под ред. Б.Е. Патона. - М.: Машиностроение. 1996. - 576 с.

7. Во-Ван-Тхао. Методика исследования напряженного состояния в зоне примыкания патрубков к цилиндрической оболочке в упругопластической стадии деформирования при статическом и повторном нагружениях / Во-Ван-Тхао, О.Л. Бандин, Л.Я. Бондарович // Труды МИСИ: №82. - 1971. - С.105 - 111.

8. Волошин A.A. Расчет и конструирование пересекающихся оболочек сосудов / А.А.Волошин, Ю.А. Самсонов. - Л.: Машиностроение, 1968. - 127 с.

9. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. / Р.Галлагер. - М.: Мир, 1984 . - 428 с.

10. Гилл С. Эксперименты на сферических сосудах высокого давления с подкрепляющими накладками у выходных отверстий / С.Гилл, Р.Китчинг, А.Каннас, Р.Пэйн // Механика. Новое в зарубежной науке. №24. под ред. А.Ю.Ишлинский. М.: Мир. - 1989. - С.73 - 105.

11. ГОСТ Р 52857.2 - 2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек. -М.: Стандартинформ, 2008. - 41 с.

12. ГОСТ Р 52857.3 - 2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер. - М.: Стандартинформ, 2008. - 30 с.

13. ГОСТ Р 52857.6 - 2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках. - М.: Стандартинформ, 2008. - 17 с.

14. ГОСТ 25.101-83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов. - М.: Изд-во стандартов, 1984. — 25 с.

15. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении — М.: Изд-во стандартов, 1985. - 62 с.

16. Гусенков А.П. Малоцикловая прочность оболочечных конструкций / А.П. Гусенков, Г.М. Москвитин, В.Н. Хорошилов. - М.: Наука, 1989. - 254 с.

17. Гусенков А.П. Прочность тройниковых соединений труб магистральных нефтепроводов / А.П. Гусенков, М.Ф. Фокин // Машиноведение. - 1989. — №1. — С.11- 17.

18. Зайнуллин P.C. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости / P.C. Зайнуллин. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 1997.- 426 с.

19. Заключение экспертизы промышленной безопасности на сосуд, работающий под давлением: Пылеуловитель циклонный ГП105 рег.№24380, зав.№831435 предприятие: ООО «Газпром Трансгаз Казань» Шеморданское ЛПУ МГ, ГКС-4 «Арская» / ОАО «Газпром» ДО АО «Оргэнергогаз»; рук. Филатов A.A.; исполн.: Сиваченко Н.Д [и др.]. - М., 2010. - 80 с.

20. Заключение №312-96/96 по результатам диагностирования технического состояния восьми циклонных пылеуловителей, двух сепараторов природного газа, двух адсорберов и одного вымораживателя газа предприятия «Волгатрансгаз», Шеморданское ЛПУ МГ, республика Татарстан / Акционерное общество «Научно - исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения «НИИхиммаш»; рук. Заваров В.А.; исполн.: Рачков В.И., Кутепов С.М. - Москва, 1996.-11 с.

21. Земель В.З. К расчету на прочность элементов укрепления отверстий в эллиптических днищах сосудов и аппаратов при внутреннем давлении / В.З. Земель, Г.И.Феденко // Ленниихиммаш. Труды №8. - Л., 1974. - С.38 - 44.

22. Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимация / О. Зенкевич, К. Морган. - М.: Мир, 1986. - 318 с.

23. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. - М.: Мир, 1975.- 511 с.

24. Карзов Г.П. Сварные сосуды высокого давления: Прочность и долговечность / Г.П. Карзов, В.П. Леонов, Б.Т. Тимофеев - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1982. - 287 с.

25. Качанов Л.М. Основы теории пластичности / Л.М. Качанов. - М.: Наука, 1969.-420 с.

26. Когаев В.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник / В.П. Когаев, H.A. Махутов, А.П. Гусенков. - М.: Машиностроение, 1985. — 244 с.

27. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев. - М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

129 :

28. Копысицкая JI.H. Инженерный метод расчета напряженно -деформированного состояния сварных цилиндрических резервуаров с уводом кромок / JI.H. Копысицкая, В.М. Муратов, В.В. Лихман // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1989. -№10. - С. 15 - 18.

29. Копысицкая Л.Н. Прогнозирование долговечности цилиндрических резервуаров с уводом кромок сварных швов / Л.Н. Копысицкая, В.М. Муратов, В.В. Лихман // Исследования в области прочности химического оборудования: Сб. Науч. Тр. НИИХиммаш. - М. 1990. - С. 15 - 22.

30. Кудрявцев И.В. Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций / И.В. Кудрявцев, Н.Е. Наумченков. - М.: Машиностроение, 1976. - 270 с.

31. Куркин С.А. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением / С.А. Куркин. - М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

32. Ленжер Б.Ф. Расчет сосудов давления на малоцикловую долговечность / Б.Ф. Ленжер // Техническая механика, серия Д. - 1962. т.84. - №3. - С.97 — 113.

33. Лихман В.В. Определение малоцикловой прочности криогенного оборудования с учетом технологичесикх отклонений форм / В.В. Лихман, Л.Н. Копысицкая, В.М. Муратов // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1993. — №4. -С.15 -17.

34. Лукьянов В.Ф. Сопротивление развитию разрушения сварных штуцерных соединений при осесимметричном повторностатическом нагружении / В.Ф. Лукьянов, В.В. Напрасников, Ю.Г. Людмирский // Проблемы прочности. -1983.-№9.-С. 98-100.

35. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести / H.H. Малинин - М: Машиностроение, 1975. - 400 с.

36. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения / Ю.Г. Матвиенко. - М., ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 328 с.

37. Матохин Г.В. Основы проектирования сварных конструкций (руководство для курсового проектирования): учеб. пособие / Г.В.Матохин, A.B. Гридасов. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 152 с.

38. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность / H.A. Махутов. — М.: Машиностроение, 1981.-272 с.

39. Махутов H.A. Механика малоциклового разрушения / H.A. Махутов, М.И. Бурак, М.М. Гаденин и др. - М.: Наука, 1986. - 264 с.

40. Махутов H.A. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2 ч. / H.A. Махутов. - Новосибирск: Наука, 2005. - 4.2: Обоснование ресурса и безопасности. - 610 с.

41. Машель Н.Г. К расчету на прочность элементов укрепления отверстий в конических обечайках и днищах сосудов и аппаратов при внутреннем давлении / Н.Г. Машель, Г.И.Феденко // Ленниихиммаш. Труды №8. - Л., 1974. - С.32 - 38.

42. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов (РД 03421-01). Серия 03. Выпуск 17 / Колл. авт. - М.: Государственное унитарное предприятие «Научно — технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002. - 136 с.

43. Морозов Е.М. Метод конечных элементов в механике разрушения / Е.М. Морозов, Г.П. Никишков - М.: Наука. Главная редакция физико -математической литературы, 1980. - 250 с.

44. Морозов Е.М. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения. Изд. 2-е, испр. / Е.М. Морозов, А.Ю.Муйземиек, A.C. Шадский. - М.: ЛЕНАНД, 2010. -456 с.

45. Мураками Ю. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: В 2 т. Т.1. / под ред. Ю. Мураками. - М.: Мир, 1990. - 448 с.

46. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек / В.В. Новожилов. — Л.: Судпромгиз, 1962. - 431с.

47. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) / Госатомэнергонадзор СССР. - М.: Энергоатомиздат. 1989. - 525 с.

48. Отчет №64 экспертного обследования сосуда работающего под давлением: пылеуловитель циклонный зав.№831435 «Волгатрансгаз», Шеморданское ЛПУ МГ, республика Татарстан / ТОО «Учебно — производственный центр по дефоктоскопии и сварке «Центр ДиС»; рук. Сорокин Е.А.; исполн.: Дардымов В.Г. - Казань, 1996. - 31 с.

49. Партон В.В., Морозов Е.М. Механика упруго - пластического разрушения / В.В. Партон, Е.М, Морозов. - М.: Наука, 1971. - 416 с.

50. Патон Е.О. Ослабление обычаек сварными патрубками / Е.О. Патон, В.В. Шеверницкий, К.И. Дзевалтовский // Химическое машиностроение. - 1937. - №5. -С.19-25.

51. Патон В.З. Механика разрушения: От теории к практике / В.З. Патон. — М.: Наука. 1990.-240 с.

52. Постнов В.А. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций / В.А. Постнов, И.Я. Хархурим. - JL: Судостроение. 1974. - 344 с.

53. Рахмилевич Р.З. Напряженно - деформированное состояние цилиндрической оболочки со штуцером сосудов давления / Р.З. Рахмилевич, Б.З. Абросимов // Труды ГИПРОНЕФТЕМАШ: Вып. 20. - 1973. - С. 146 - 157.

54. РД 24.201.11-90. Сосуды и аппараты алюминиевые. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий при малоцикловых нагрузках. - М.: НИИхиммаш, 1990.-41 с.

55. РД 26-16-88. Сосуды и аппараты. Метод расчета напряжений в месте пересечения патрубков с обечайками и днищами. — М.: НИИхиммаш, 1988. — 43 с.

56. РД 26-18-8-89. Сварные соединения приварки люков, штуцеров и муфт. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. - Введ. 1990-01-01. - М.: НИИХиммаш, 1989.-35 с.

57. Самсонов Ю.А. Прочность судовых ядерных установок / Ю.А. Самсонов. - JI. Судостроение, 1979. - 260 с.

58. Серенсен C.B. Вопросы несущей способности при малом числе циклов нагружения / C.B. Серенсен // Прочность при малом числе циклов нагружения. — М: Наука. 1969. - С.6 - 25.

59. Серенсен C.B. Прочность при малоцикловом нагружении. Основы методов расчета и испытаний / C.B. Серенсен, P.M. Шнейдерович, А.П. Гусенков, H.A. Махутов, А.Н. Романов, В.М. Филатов, O.A. Левин, О.Л. Бандин, Г.К. Шаршуков. - М.: Наука, 1975. - 287 с.

60. Скопинский В.Н. Трехмерный анализ напряженного состояния штуцерных узлов аппаратов высокого давления / В.Н. Скопинский // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 1998. - №6. - С.9 - 11.

61. Скопинский В.Н. Выбор рациональных параметров укрепления штуцерных узлов на эллиптических днищах сосудов давления / В.Н. Скопинский, А.Б. Сметанкин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2003. — №3. -С.3-6.

62. Скопинский В.Н. Расчетный и экспериментальный анализ тройниковых соединений с отбортовкой / В.Н. Скопинский, A.B. Казачкин // Проблемы прочности. - 1994. - №11. - С.69 - 74.

63. Скопинский В.Н. Расчетное исследование подкрепленных пересекающихся цилиндрических оболочек / В.Н. Скопинский // Проблемы прочности. - 1989. - №10. - С.59 - 62.

64. Скопинский В.Н. Прочностной анализ соединений обечаек и днищ с патрубками через отбортовку / В.Н. Скопинский // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1993. - №7. - С. 18 - 20.

65. Скопинский В.Н. Применение специализированных вычислительных программ в прочностном анализе конструкций химического и нефтехимического машиностроения / В.Н. Скопинский // Химическое и нефтяное машиностроение. -1996. -№5. -С.13 - 16.

66. Скопинский В.Н. Расчетный анализ конструктивных способов укрепления узлов соединения емкости с патрубком / В.Н. Скопинский, H.A. Берков//Химическое и нефтяное машиностроение. - 1994.— №8.- С.5-7.

67. Скопинский В.Н. Исследование напряженного состояния радиально пересекающихся цилиндрических оболочек / В.Н. Скопинский // Строительная механика и расчет сооружений. - 1980. - № 2. - С. 15 - 19.

68. Скопинский В.Н. Анализ применимости теории тонких оболочек к расчету пересекающихся цилиндрических оболочек / В.Н. Скопинский // Известия вузов. Машиностроение. - 1989. - №2 - С. 12 - 15.

69. Скопинский В.Н. Об особенностях напряженного состояния в области пересечения цилиндрических оболочек / В.Н. Скопинский // Строительная механика и расчет сооружений. - 1986. - №2 - С. 19 - 22.

70. Скопинский В.Н. Напряженное состояние конструктивных узлов в виде пересекающихся оболочек при термосиловом нагружении / В.Н. Скопинский, Н.А.Берков // Тяжелое машиностроение. - 1992. - №3 - С. 17 - 19.

71. Скопинский В.Н. Температурные напряжения в соединениях цилиндрических оболочек / В.Н. Скопинский // Строительная механика и расчет сооружений. - 1985.- №1.- С.12-15.

72. Скуратов А.Е. Влияние конструктивного зазора в сварном шве горловины люка на прочность сосудов вагонов - цистерн для перевозки сжиженных углеводородных газов / А.Е. Скуратов, H.A. Хапонен // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. - №8 - С. 45 - 46.

73. СТО 00220256-005-2005. Швы стыковых, угловых и тавровых соединений сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Методика ультразвукового контроля. - М.: ОАО «НИИХИММАШ», 2005.

74. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник. В 2 ч. Ч. 1. / В.Т.Трощенко, Л.А.Сосновский. - Киев, Наукова думка, 1987. - 346 с.

75. Феденко Г.И. Концентрация напряжений и расчет элементов подкрепления отверстий в обечайках и днищах, работающих под внутренним давлением / Г.И. Феденко // Проблемы прочности. - 1971. — №5. - С.70 - 76.

76. Феденко Г.И. Напряженное состояние в области соединения цилиндрической обечайки с патрубком при внутреннем давлении / Г.И. Феденко // Ленниихиммаш. Труды №8. - Л., 1974. - С. 13 - 32.

77. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения / Г.П. Черепанов. - М.: Наука, 1974. - 640 с.

78. Шаршуков Г.К. Малоцикловая усталостная прочность сферических сосудов с отверстием из алюминиевых сплавов / Г.К. Шаршуков // Труды МИСИ: №85. - 1970. - С.78 - 81.

79. Шаталов А.А. Оценка работоспособности и остаточного ресурса тонкостенных сварных сосудов химически опасных промышленных объектов/ А.А. Шаталов, М.П. Закревский, A.M. Лепихин, В.В., В.В. Москвичев, А.П. Черняев // Безопасность труда в промышленности. - 2003. - №7 - С. 34 - 36.

80. Швец А.В. Конструктивная прочность труб с приварными патрубками / А.В. Швец, Г.Г. Шевченко, В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, В.Н. Агишев // Безопасность труда в промышленности. - 2005. - №7 - С. 46-50.

81. ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section VIII. Rules for Construction of Pressure Vessels. - New York: NY. 2010.

82. Coffin L.F. The Cyclic Straining and Fatigue of Metals / L.F. Coffin, J.F.Tavernelli // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. - 1959. - October.

- vol.215. - P. 794-807.

83. Gwaltnay R.C. Experimental stress analysis of cylinder-to-cylinder shell models and comparisons with theoretical predictions / R.C.Gwaltney, J.M.Corum, S.E.Bolt, J.W.Bryson // Trans. ASME. J. Pres. Ves. Techn. - 1976. V. J98. - №.4. -P.283 -290.

84. Gwaltnay R.C. Theoretical and Experimental Stress Analyses of ORNL Thin

- Shell Cylinder -to - Cylinder Model 3 / Oak Ridge National Laboratory; R.C. Gwaltnay, S.E. Bolt, J.M. Corum, J.W. Biyson. - Oak Ridge, Tennessee, 1975. - 184 p.

85. Gwaltnay R.C. Theoretical and Experimental Stress Analyses of ORNL Thin

- Shell Cylinder -to - Cylinder Model 4 / Oak Ridge National Laboratory; R.C. Gwaltnay, S.E. Bolt, J.W. Bryson. - Oak Ridge, Tennessee, 1975. - 186 p.

86. Manson S.S. Thermal Stresses in Design - Part 19. Cyclic Life of Ductile Materials/ S.S. Manson//Machine Design. - 1960.-July 7.-p. 139.

87. PD 5500:2009. Specification for unfired fusion welded pressure vessels. -London: BSI, 2009.