Главная » 2014 » Август » 20 » Скачать Оценка степени поврежденности аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей. Трутнев, Роман Николаевич бесплатно
07:31
Скачать Оценка степени поврежденности аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей. Трутнев, Роман Николаевич бесплатно
Оценка степени поврежденности аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей
Диссертация
Автор: Трутнев, Роман Николаевич
Название: Оценка степени поврежденности аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей
Справка: Трутнев, Роман Николаевич. Оценка степени поврежденности аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей : диссертация кандидата технических наук : 05.02.13 / Трутнев Роман Николаевич; [Место защиты: Уфим. гос. нефтяной техн. ун-т] Уфа, 2007 113 c. : 61 07-5/5465
Объем: 113 стр.
Информация: Уфа, 2007
Содержание:
1 Биметаллические конструкции, особенности изготовления, строения 11и поведения при циклическом нагружении, методы оценки усталостной проч-ности
11 Биметаллические конструкции, области применения, условия 11эксплуатации и анализ повреждений
12 Специфика изготовления, строения и определения свойств 16плакированных металлов
13 Особенности поведения биметаллов при циклическом нагружении
131 Закономерности циклического разрушения биметаллов
132 Сопротивление биметаллических композиций малоцикловой 25усталости
14 Анализ расчетных методов оценки усталостной прочности 26конструкций
141 Методы, основанные на проведении повторных усталостных 26испытаний
142 Методы исследования материалов на статическую прочность
143 Расчетные методы оценки долговечности
15 Методы исследования поверхности металла
16 Методы и средства испытаний на усталостную нрочность 37Выводы
2 Объекты и методы исследований
21 Основные характеристики исследуемых материалов
22 Методика проведения усталостных иснытаний
23 Методика определения значения поверхностной энергии при 52накоплении усталостных повреждений
24 Методика газоразрядного фотографирования
25 Методика измерения скорости ультразвуковых волн 65Выводы
3 Результаты экспериментальных исследований и их интерпретация
31 Изменение значения поверхностной энергии и скорости 73ультразвука по длине рабочей зоны образца при накоплении усталостныхповреждений
32 Изменение значения поверхностной энергии при накоплении 78усталостных повреждений
33 Газоразрядное фотографирование
34 Изменение скорости ультразвука в металлах при накоплении 86усталостных поврежденийВыводы
4 Метод оценки степени поврежденности аппаратов, изготовленных из 92двухслойных сталей
41 Сбор информации об объекте
42 Построение экспериментальных зависимостей
43 Сравнительный анализ результатов и рекомендации 94Выводы
Введение:
Значительная часть машин и агрегатов нефтеперерабатывающих предприятий при эксплуатации подвергаются комплексному воздействию различных факторов, таких как постоянные и переменные механические и тепловые нагрузки, а также влияние рабочей среды, что отрицательно сказывается на их надежности. Характерным примером аппаратов, испытывающих подобные воздействия, являются биметаллические реакторы установок замедленного коксования. Для такого оборудования одной из причин разрушения металла является малоцикловая усталость, особенность которой связана с тем, что этот вид воздействия реализуется длительноевремя без макроскопической деформации и высоких скоростей распространениятрещин. Чтобы обеспечить его безопасную эксплуатацию, необходимо проводитькомплекс мероприятий по оценке технического состояния оборудования, которые восновном базируются на результатах неразрушающих методов контроля.В настоящее время в области обеспечения безопасной эксплуатации оборудования, работающего при знакопеременных нагрузках, актуальной является задача пооценке степени поврежденности аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей.Однако в существующих методах оценки текущего состояния биметаллических аппаратов не принимается во внимание наличие композиции металлов, и не учитываются как структурные изменения, происходящие в биметаллах, так и информация обизменениях, происходящих на поверхности.Одним из путей решения этой проблемы является выполнение сравнительногоанализа параметров, характеризующих структурные изменения, происходящие в биметаллах (например, акустических характеристик материала), в сочетании с информацией об изменениях, происходящих на поверхности и в приповерхностных слоях.В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является определение степени поврежденности аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей,на основе сравнительного анализа параметров поверхностной энергии, скоростиультразвука и характера газоразрядного свечения при накоплении усталостных повреждений, применительно к оборудованию нефтеперерабатывающей промышленности.Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:1) исследовать влияние циклического нагружения биметалла09Г2С+12Х18Н10Т и отдельно его компонентов на изменение скорости распространения продольных ультразвуковых волн для установления критерия выявления потенциальных зон разрушения материала оборудования;2) построить зависимость поверхностной энергии от уровня накопления усталостных повреждений в образцах из биметалла 09Г2С+12Х18Н10Т и в образцахотдельно из основного металла и нлакирующего слоя и выполнить сравнительныйанализ полученных результатов для установления критерия выявления потенциальных зон разрушения материала оборудования;3) определить фактический уровень поврежденности металла оборудованияпо изменению его акустических характеристик и характеристик поверхности, напримере двухслойной стали 09Г2С+12Х18Н10Т;4) разработать, спроектировать и изготовить экспериментальную установку,позволяющую регистрировать на фотопленку газоразрядное свечение образцов, подверженных малоцикловой усталости с разной степенью поврежденности, для выявления поверхностных дефектов на ранних стадиях развития;5) исследовать влияние малоцикловой усталости на характер газоразрядногосвечения;6) разработать метод оценки степени поврежденности аппаратов, изготовленных из плакированных металлов, на основе сравнительного анализа характеристик поверхности и скорости ультразвука.По структуре работа состоит из четырех глав.В первой главе рассмотрены и проанализированы работы, посвященные вопросам прочности биметаллических конструкций и оценки степени поврежденностимашин и аппаратов, изготовленных из двухслойных сталей. Рассмотрены основныевиды оборудования, изготавливаемого из двухслойных сталей. Показано, что биметаллические реакторы установок замедленного коксования являются характернымпримером оборудования, испытывающего комплексное воздействие постоянных ипеременных механических и тепловых нагрузок. Приведены основные характеристики данных реакторов.По данным литературных источников проведен анализ повреждений реакторов для получения кокса и рассмотрены современные подходы к расчетам долговечности аппаратов, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой усталости. Исследованиям данного направления посвящены работы Махутова Н.А.,Терентьева В.Ф., Ивановой B.C., Романова А.Н., Гусенкова А.П. и др. Показано, чтоэтому виду нагружения подвержены в большей степени сосуды, работающие поддавлением, а дефекты, приводящие к отказу оборудования, чаще всего образуются вместах, где появляются изгибные напряжения.Изложен обзор исследований закономерностей накопления повреждений иразрушения биметаллов при малоцикловом нафужении. В работах многих авторов(Тананов А.И., Медведев Ф., Коцаньда и др.) отмечено, что подобные разрушения характеризуются медленным скрытым подрастанием усталостных трещин иобъединением их в магистральную макротрещину, раскрытие которой может произойти внезапно и привести к аварийной ситуации.Показана специфика строения и свойств плакированных металлов, а такжеособенности их сопротивления малоцикловому деформированию. Показано, что, несмотря на резко выраженную химическую, структурную и механическую неоднородность зоны соединения композиций, обеспечиваются показатели прочности науровне металла основы, а в некоторых случаях и выше.Анализ показал, что большая часть разрушений начинается с поверхности.Рассмотрены механизмы разрушения и роль в этом поверхностных слоев металла,которые освещены в работах В.П. Алехина, В.Ф. Терентьева и др. Описаны параметры, характеризующие поверхность, и отмечено, что одним из них является поверхностная энергия. Данные литературных источников и исследования, проведенные ранее, позволяют предположить возможность применения метода газоразрядного фотофафирования для регистрации изменения свойств металлов в зоне зарождения трещины.Сделан обзор существующих машин для испытания образцов на усталость.В носледнем разделе первой главы на основе анализа литературных данныхсформулированы цель и задачи диссертационной работы.Во второй главе диссертационной работы приведено обоснование и описание. использованных методов исследования.В настоящее время является актуальным решение вопросов оценки степениповрежденности корпусов коксовых камер установок замедленного коксования,проработавших определенное время. В работах Кузеева И.Р., Филимонова Е.А.,Газиева P.P. и других авторов описано, что связано это со сложностью эксплуатационного нагружения аппарата, процессами накопления повреждений и возникновением разнообразных дефектов и отказов реакторов коксования. В качестве материалавыбрана двухслойная сталь 09Г2С+12Х18Н10Т, широко используемая для изготовления данного оборудования.Исследование усталостной долговечности плакированных сталей выполнялосьпри циклическом упругопластическом нагружении по схеме чистого симметричногоизгиба. В ходе испытания на малоцикловую усталость как моно-, так и биметалла через каждые 500 циклов образец подвергался исследованию на определение значенияповерхностной энергии, скорости распространения ультразвуковых волн, а такжепроводилось газоразрядное фотографирование наиболее нагруженной зоны образца.В связи с тем, что в большинстве случаев зарождение трещин начинается вповерхностных и приповерхностных слоях металла, информация об изменениях,происходящих на поверхности, является очень важной. Поэтому при усталостныхиспытаниях проводились измерения поверхностной энергии.Исследованиям данного направления посвящены работы Наумкина Е.А.,Прохорова А.Е. (установление увеличения поверхностной энергии при накопленииусталостных повреждений), Савичевой Ю.Н. (изменение поверхностной энергиипри утонении металлических пластин электролитическим методом) и др.Поверхностную энергию определяли с использованием краевого угла смачивания по методике, описанной в трудах А. Адамсона, Е.Д. Щукина, Б.Д. Сумма идругих исследователей.Наряду с определением поверхностной энергии, состояние поверхности образцов оценивалось при помощи газоразрядного фотографирования (ГРФ), основанного на эффекте Кирлиан.Для оценки изменения физико-механических свойств материалов в процессе%усталостных испытаний использовались акустические средства контроля. Как отмечено в работах Клюева В.В., Муравьева В.В., Школьника И.Э., Колесникова А.Е.,Крауткремера Й. и др., применение ультразвуковых средств контроля физикомеханических свойств материалов основано на связи этих свойств с акустическимихарактеристиками материалов (скоростями распространения, коэффициентами затухания упругих волн и т.п.). Учитывая достоинства и недостатки существующих методов измерения скорости ультразвуковых волн, в данной работе принято решениеиспользовать ультразвуковой толщиномер «Krautkramer DM 4Е» с преобразователемDA3015,0 МГц.^ В третьей главе приведены результаты исследований изменения поверхностной энергии, скорости распространения продольных ультразвуковых волн и характера газоразрядного свечения образцов при накоплении усталостных повреждений.Анализируя полученные экспериментальные данные, можно сделать вывод,что существует конкуренция между различными зонами образца за разрушение, которая развивается до уровня поврежденности N/Np = 0,20,4 (поверхностная энергия во всех зонах возрастает, скорость ультразвука снижается). По достиженииуровня поврежденности N/Np = 0,4, а в некоторых зонах и раньше, поверхностнаяэнергия перестает возрастать, а скорость ультразвука- снижаться. Борьба междуФ зонами образца за разрушение прекращается, остается единственная зона, в которойтенденция возрастания поверхностной энергии и убывания скорости ультразвука сохраняется в течение всего периода испытаний, что является характерным признаком предстоящего разрушения.После достижения предельного состояния, что соответствует уровню поврежденности N/Np = 0,7, вновь начинают включаться в процесс разрушения некоторые зоны, наблюдается множественность возникновения очагов разрушения (поверхностная энергия снова возрастает, скорость ультразвука - снижается). На по8верхности образца в данных зонах появляются усталостные трещины, но магистральная трещина развивается в зоне, выделившейся носле достижении уровня поврежденности N/Np = 0,4. Именно в этой зоне впоследствии и происходит разрушение.ф. В материале с самого начала деформирования проявляется зона разрушения,причем, если в исходном состоянии потенциально возможных областей разрушениянесколько, то после достижении уровня поврежденности N/Np = 0,4 остается одна.Таким образом, совместное использование акустических свойств биметалла ихарактеристик его поверхности позволяет оценивать вероятные зоны разрушения воболочке аппаратов, изготовленных из плакированных металлов.Однако для оценки технического состояния оборудования кроме информации о местонахождении зон повышенной концентрации напряжений необходимознать фактический уровень поврежденности металла в данных зонах. С этой цельюл образцы плоского типа с концентратором напряжений были подвержены разнымуровням накопления усталостных повреждений в области малоцикловых нагрузок, ипри каждом уровне накопления усталостных повреждений выполнялись измеренияповерхностной энергии и скорости ультразвука, а также осуществлялось газоразрядное фотографирование верхней и боковой поверхности образцов.Эксперименты показывают линейное возрастание поверхностной энергиипри накоплении усталостных повреждений. Скорость ультразвука при аналогичныхусловиях снижается, причем до уровня повреждений N/Np = 0,7 изменение скоростинезначительно, а после достижения данного уровня накопления усталостных повреЩ^ ждений происходит резкое снижение скорости ультразвука, что, на наш взгляд, свидетельствует о переходе биметалла к необратимому разрушению.Состояние поверхности образцов также оценивалось и при помощи газоразрядного фотографирования. Метод газоразрядного фотографирования являетсяочень чувствительным к изменению геометрического и потенциального рельефа поверхности и его можно использовать при лабораторных исследованиях биметаллических материалов для визуализации разрушения, происходящего с границы контакта слоев.в четвертой главе описан метод, позволяющий оценить степень поврежденности биметаллических аппаратов, работающих в условиях циклического нагружения, который основан на анализе изменения скорости распространения продольныхультразвуковых волн с учетом характеристик поверхности.Предлагаемый метод позволяет оценить степень поврежденности биметаллических аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности, и тем самым обеспечить их безаварийную эксплуатацию.Автор искренне признателен своему научному руководителю д.т.н., профессору Кузееву И.Р. и научному консультанту к.т.н. Наумкину Е.А. за оказанную помощь в постановке задачи исследований и анализе результатов исследования; а также сердечно благодарен научным консультантам к.т.н. доценту Газиеву P.P. и к.т.н.доценту Захарову Н.М. за содействие в проведении испытаний, ценные советы и рекомендации и постоянное внимание к работе.
