авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 | 2 ||

Безопасность механически неоднородных элементов конструкций нефтегазового комплекса

-- [ Страница 3 ] --

зависит от упругих характеристик материалов Е1, 1, Е2, 2 и углов 1 и 2, «занятых» этими материалами. Для случаев, когда поверхность соединения в зоне стыка плоская (), характер зависимости параметра от угла 1 показан на рисунке 10. Из графика видно, что параметр принимает отрицательные значения в диапазонах и ; при этом появляется резкая концентрация напряжений типа . В диапазонах и параметр положителен. Это означает, что при этих углах концентрация напряжений в краевых зонах стыка не возникает, а наоборот, проявляется эффект малонапряженности. Данный результат имеет важные практические последствия: он открывает возможность управлять концентрацией напряжений конструктивными методами на этапе проектирования изделий.

  Характер зависимости-90

Рисунок 10 – Характер зависимости параметра от угла 1
(1 соответствует сектору, «занятому» мягким материалом)

Однако этой возможностью на практике не всегда удается воспользоваться. В таких случаях необходимо правильно оценивать степень опасности концентрации напряжений, возникающей из-за влияния фактора механической неоднородности. Учитывая, что напряжения описываются выражением типа (2), аналогичным для случая трещины, оценку целесообразно выполнять на основе критериев механики разрушения, но с учётом специфических особенностей. В данном случае одинаково эффективны следующие три критерия прочности:

    • К-подход, основанный на сравнении КИН с его предельным значением К* для данной пары материалов;
    • энергетический подход, основанный на балансе энергий: выделяющейся при зарождении и продвижении трещины и необходимой на образование новой поверхности (на компенсацию поверхностной энергии);
    • критерий эквивалентной трещины, основанный на том положении, что резкая концентрация напряжений в бездефектном соединении разнородных материалов эквивалентна по опасности некоторой трещине в однородном материале.

Энергия зарождения трещины G0 и размер эквивалентной трещины hэкв определяются построением графика изменения интенсивности высвобождаемой энергии G при росте трещины (рисунок 11).

  Определение энергии-91

Рисунок 11 – Определение энергии зарождения трещины G0
и размера эквивалентной трещины hэкв

Все критерии прочности и разрушения используют в качестве исходной информации значения параметров и К, участвующих в выражении (2). В таблице 3 приведены значения этих параметров для некоторых пар материалов, соединяемых прямым стыком (; ). Для расширения области применения полученных данных выделен безразмерный множитель Y, независимый по отношению к размерам () и нагрузке (). При этом использовано следующее выражение, аналогичное (3): .

Таблица 3 Результаты расчётов КИН прямым методом (номинальное
напряжение ; толщина образца ;
экстраполяция по напряжениям у в области 0,1…0,3 мм)

Е2/E1 К, МПам Y
1 0 1,0 1,0
2 0,03700 0,7343 0,8707
3 0,07989 0,5167 0,7465
4 0,11214 0,3983 0,6676
5 0,13618 0,3287 0,6154
6 0,15460 0,2842 0,5792
7 0,16909 0,2537 0,5527
10 0,19846 0,2018 0,5033
20 0,23915 0,1476 0,4440
50 0,26769 0,1187 0,4072
100 0,27803 0,1098 0,3951
1000 0,28773 0,1021 0,3841
10000 0,28871 0,1013 0,3829
100000 0,28882 0,1012 0,3827

В четвертой главе приведены результаты экспериментов.

Первая серия экспериментов проведена с целью проверки возможности управления концентрацией напряжений путём оптимизации формы стыка. Для этого использовали эффект фотоупругости, позволяющий визуально наблюдать поле напряжений. На рисунке 12 показаны фотоупругие картины двух соединений, отличающихся только формой стыка. Данный эксперимент подтверждает, что, подбирая форму стыка (добиваясь, чтобы угол выхода стыка на поверхность соединения соответствовал условию малонапряженности), можно полностью исключить резкую концентрацию напряжений, перевести ее в разряд «мягких», не опасных для конструкции.

Рисунок 12 – Фотоупругие картины на стыковых соединениях
разнородных материалов («т» – алюминиевый сплав; «м» – полиуретан )

Вторая серия экспериментов проводилась с целью проверки эффективности предложенных методов оценки прочности соединений с учётом фактора механической неоднородности. На рисунке 13 приведены результаты испытаний (точки) и расчетов (сплошная линия) образцов с межфазными трещинами. Результаты испытаний совпадают с расчётными данными в пределах случайных разбросов.

На рисунке 14 приведены аналогичные результаты для бездефектных соединений с мягкой прослойкой. Систематическое отклонение результатов испытаний от расчётной кривой объясняется наличием остаточных напряжений, которые в расчёте не учитывались. Несмотря на это, результаты испытаний правильно передают характер зависимости прочности от толщины прослойки. Видно, что с уменьшением толщины прослойки прочность соединения растёт и превышает прочность самого материала прослойки (в этом проявляется эффект упрочнения мягкой прослойки).

  График зависимости-99

Рисунок 13 – График зависимости разрушающей нагрузки Q*
от размера межфазной трещины в соединении стали (т) и отверждённой эпоксидной смолы (м) (ширина ; толщина пластин 4,7 мм)

  Результаты испытаний-101

Рисунок 14 – Результаты испытаний бездефектных соединений
с мягкой прослойкой

В следующем эксперименте испытаны несколько типов соединений, отличающихся только формой стыка (рисунок 15). В качестве мягкого материала использован гарт (сплав 78 % свинца, 4,5 % олова, остальное – сурьма). Результаты испытаний подтвердили, что при выполнении рекомендаций, сделанных на основе теоретических исследований, удается полностью исключить отрицательное влияние концентратора напряжений.

  Типы испытанных образцов и их-102

Рисунок 15 – Типы испытанных образцов и их прочность

(сечение 1050 мм2, разномодульность 6,62)

Таким образом, показано, что без учёта фактора механической неоднородности элементов конструкций можно получить ошибки, которые в дальнейшем приведут к разрушениям оборудования. Результаты настоящих исследований позволяют минимизировать отрицательное влияние фактора механической неоднородности на всех этапах жизненного цикла такого оборудования.

Основные выводы

1. На примерах биметалла и стыкового соединения установлены основные закономерности формирования полей напряжений и деформаций в элементах конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств. Полученные формулы позволяют:

на этапе проектирования технических устройств оптимизировать выбор материалов, геометрические характеристики, технологические особенности изготовления и ремонта;

на этапе эксплуатации оценивать по результатам диагностики техническое состояние, определять безопасные сроки эксплуатации с учетом фактора неоднородности, геометрических характеристик, тепловых и механических режимов нагружения, динамики развития разрушения.

2. Изучены отличительные особенности формирования полей напряжений в окрестности трещин, развивающихся в механически неоднородных элементах конструкций. На трещинах сингулярность поля напряжений типа сохраняется, но порядок особенности и коэффициент интенсивности напряжений зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов вязкости разрушения КIC.

3. Установлено, что:

с отклонением разномодульности материалов отдельных участков () от единицы распределение напряжений становится всё более неравномерным, увеличивается концентрация напряжений;

при некоторых геометрических характеристиках (форма, углы, размеры) концентрация напряжений, вызванная механической неоднородностью, имеет особенность типа , что делает её подобной трещине по опасности для конструкции;

переход трещины из мягкого материала в твердый энергетически затруднён, в обратном порядке (из твердого в мягкий) облегчен;

отличие материалов отдельных участков по коэффициентам теплового расширения играет всегда отрицательную роль, приводит к снижению термоциклической долговечности.

4. Теоретически и экспериментально показано, что путем оптимизации формы стыков можно избежать образования резкого концентратора напряжений в разнородных соединениях и добиться равнопрочности с использованными материалами. Для этого двугранный угол м, «занятый» мягким материалом в краевой зоне стыка, должен находиться в одном из следующих диапазонов: , . Значения углов определяются упругими свойствами материалов. Для большинства конструкционных материалов ; .

5. Разработан математический аппарат, включающий методы определения основных характеристик резких концентраторов напряжений с особенностью вида : параметров особенности , коэффициентов интенсивности напряжений K, энергетической характеристики G. Математический аппарат основан на методах комплексных потенциалов, конечных элементов, экстраполяции в область сингулярности, теории подобия. Предложены и обоснованы несколько критериев разрушения, которые могут быть применены к концентраторам указанного вида независимо от их происхождения (трещиноподобные, V-образные, конструктивные).

Основные положения диссертационной работы опубликованы
в следующих научных трудах:

  1. Гумеров К.М., Сафиуллин Н.Ф., Рябов И.А., Козин И.В. Некоторые особенности проектирования технических устройств из гетерогенных материалов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. № 12. С. 13.
  2. Сафиуллин Н.Ф., Гумеров А.К., Рябов И.А. Методика расчетной оценки термоциклической долговечности труб и сосудов из однородных материалов и биметаллов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Тез. докл. научн.-практ. конф. 25 мая 2005 г. – Уфа, 2005. – С. 36-38.
  3. Гумеров К.М., Хайрутдинов Ф.Ш., Рябов И.А. О техническом состоянии магистрального нефтепродуктопровода Нижнекамск Н.Новгород // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: Сб. научн. тр. / ИПТЭР. – Уфа, 2005. – Вып. 64. С. 77-87.
  4. Гумеров И.К., Шмаков В.А., Галяутдинов А.А., Рябов И.А. Проблемы оценки остаточного ресурса и безопасности магистральных трубопроводов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. / ИПТЭР. Уфа, 2006. – Вып. 66. С. 139-154.
  5. Рябов И.А., Гиззатуллин Р.Р. Исследование свойств металла труб и сварных соединений трубопроводов с длительным сроком эксплуатации // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. научн.-практ. конф. 23 окт. 2008 г. – Уфа, 2008. – С. 92-95.
  6. Гумеров А.К., Рябов И.А. К определению коэффициента интенсивности напряжений в элементах конструкции с трещинами // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. научн.-практ. конф. 23 окт. 2008 г. – Уфа, 2008. – С. 120-124.
  7. Рябов И.А., Гумеров А.К. Напряжённое состояние сварных стыков на подкладных кольцах // Трубопроводный транспорт – 2008. Матер. IV Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. – Уфа: УГНТУ, 2008. – С. 98-99.
  8. Гумеров К.М., Сираев А.Г., Гумеров А.К., Рябов И.А., Шуланбаева Л.Т. Разработка инструкции по ремонту дефектных участков продуктопроводов ШФЛУ// Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер. научн.-техн. семинара 19 янв. 2009 г. – Уфа, 2009. С. 64- 66.
  9. Рябов И.А. К ремонту трубопровода на сложных участках // Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер. научн.-техн. семинара 19 янв. 2009 г. – Уфа, 2009. С. 74-76.
  10. Рябов И.А., Гумеров А.К., Сарбаев Р.Р. Напряжённо-деформированное состояние и термоциклическая долговечность сосудов из однородных материалов и биметаллов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – 2009.
    Вып. 1 (75). – С. 31-38.
  11. Рябов И.А. Трещиностойкость сосудов из биметаллов в условиях нестационарных термомеханических воздействий // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. – Уфа, 2009. – С. 95-96.
  12. Гумеров А.Г., Рябов И.А., Гумеров А.К. Исследование сингулярных полей напряжений с помощью «принципа микроскопа» // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. – Уфа, 2009. – С. 75-76.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 19.06.2009 г. Бумага писчая.

Заказ № 241. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР» РБ. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.



Pages:     | 1 | 2 ||
 








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.