CC BY
124
УДК 621.64
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА И ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ НЕКОТОРЫХ ОТВЕТСТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
И.А.Воробьев1, Г.К.Зальцман2, А.А.Воробьев3
Петербургский государственный университет путей сообщения, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9.
Рассмотрены вопросы продления срока службы сосудов, работающих под давлением и применяемых на железнодорожном транспорте Ил. 8. Табл. 1. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: остаточный ресурс, эксплуатация, сосуд под давлением.
THE PROCEDURE TO DETERMINE THE RESIDUAL RESOURCE AND THE PROLONGATION OF THE SERVICE LIFE OF SOME IMPORTANT STRUCTURES OF THE RAILWAY TRANSPORT I.A.Vorobjev, G.K.Zaltzman, A.A.Vorobjev
St. Petersburg State University of Railway Engineering 9 Moskovskii Av., St.Petersburg, 190031
The authors consider the issues to prolong the service life of vessels operating under pressure and which are applied in the railway transport. 8 figures. 1 table. 8 sources.
Key words: residual resource, exploitation, vessel under pressure.
Действующие нормы и правила расчета [1], [2] предусматривают обеспечение прочности изделий при самых неблагоприятных режимах нагружения и условиях эксплуатации. Реальные условия эксплуатации, как правило, оказываются менее жесткими, чем предусмотренные расчетами, поэтому после нормативного срока службы заложенные запасы прочности и коррозийной стойкости частично сохраняются, что обеспечивает резерв по остаточному ресурсу.
Как показали проведенные исследования для воздухосборников, преобладающими процессами деградации являются коррозийный износ и возможное усталостное разрушение. Такие процессы, как изнашивание, ползучесть, локальные повреждения (вмятины, выпучины) и другие практически отсутствуют и не оказывают существенного влияния на срок службы воздухосборников.
Для оценки продления срока службы воздухосборника был определен его остаточный ресурс с учетом имеющихся данных по нагруженности, коррозии и изнашиваемости, что позволило спрогнозировать его дальнейшую безопасную эксплуатацию.
Для построения математической модели напряженно-деформированного состояния воздухосборника воспользовались прямым методом жесткости. Геометрические характеристики элементов воздухосборника В-3,2, использованные для расчета, приведены в таблице.
Данные для расчета
Наименование параметра Величина
Длина обечайки 1, м 2,370
Внутренний диаметр обечайки 0, м 1,2
Толщина листа обечайки м 0,006
Толщина листа днища ^ц, м 0,008
Высота цилиндрической части днища Идц, м 0,348
Диаметр овального люка 0л, м 0,325
Рабочее давление Рраб МПа 0,8
Расчетное давление Ррас, МПа 0,8
Испытательное (пробное) давление Ри, МПа 1,15
Предел текучести для элементов обечайки и днища, изготовленных из стали Ст3с, МПа 213,3
Предел текучести для элементов обечайки люка, изготовленной из стали 18Г2А, МПа 324,4
Разработанная объемная конечно-элементная модель включает 11652 конечных элемента и 18730 узлов. В качестве кинематических граничных условий выбраны ограничения продольных, поперечных и вертикальных перемещений в опорных элементах воздухосборника. Сочетание нагрузок, действующих на элементы воздухосборника, принималось в соответствии с требованиями [3].
1Воробьев Игорь Алфеевич, аспирант. Vorobjev Igor Alfeevich, a postgraduate.
2Зальцман Геннадий Константинович, кандидат технических наук, профессор кафедры техносферной и экологической безопасности на транспорте.
Zaltzman Gennadii Konstantinovich, a candidate of technical sciences, a professor of the Chair of Technosphere and Ecological Safety in Transportation
3Воробьев Александр Алфеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов, тел.: (812) 4578392, 79219751198, e-mail: vorobev_alex@mail.ru
Vorobjev Alexander Alfeevich, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of Technology of Metals, tel.: (812) 4578392, 79219751198, e-mail: vorobev_alex@mail.ru
von Mises (M/m"2)
■ 1.41 Se+OOS
И 1.301 e+CIOS 1 ШЛохППЯ
i.iоче+uuû 1,067e+008
9.496e+007
8.324e+007
i 7.153e+007
5.982e+007
4.811e+Û07
3.640e+007
2.469e+007
1 1.298e+007 1,266e+006
Рис. 1. Напряженно-деформированное состояние воздухосборника с номинальными толщинами при нагружении испытательным давлением
Расчет проводился в несколько этапов, для каждого этапа рассматривалась различная степень коррозийного износа. В результате проведенного расчета определены максимальные напряжения в элементах воздухосборника В-3,2 (на рис. 1 представлено напряженно-деформированное состояние воздухосборника В-3,2).
Далее была выполнена серия расчетов воздухосборника при различных степенях коррозийного износа, которые позволили установить зависимости между напряжениями в сосуде и равномерной коррозией его элементов. Полученные данные представлены в на рис. 2.
Максимальные напряжения в воздухосборнике возникли в зоне овального люка и составили для случая нагружения рабочим давлением 0,8 МПа, для случая нагружения испытательным давлением 134,5 МПа, при допускаемых 142,6 и 213,3 МПа соответственно, что свидетельствует о значительном запасе прочности элементов воздухосборника при действии расчетных нагрузок.
0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Утонение от коррозийного износа, мм
0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 ОЛ 0,8 0,9 1 Утонение от коррозийного износа, мм
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,^ 0,8 0,9 1 Утонение от коррозийного износа, мм
Допускаемое значение напряжения, МПа
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0," 0,8 0,9 1 Утонение от коррозийного износа, мм
-^Эквивалентные напряжения в обечайке, МПа
Рис. 2. Зависимость напряжений: а - в обечайке от утонения при коррозии при нагружении рабочим давлением 0,8 МПа; б - в обечайке от утонения при нагружении испытательным давлением 1,15 МПа; в - в днище от утонения при коррозии при нагружении рабочим давлением 0,8 МПа; г - в днище от утонения при коррозии при на-
При продлении срока службы сосудов или аппаратов за пределы нормативного срока с целью обеспечения безопасности их эксплуатации необходима оценка остаточного ресурса воздухосборника. Остаточным ресурсом называют запас возможной наработки объекта от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние после момента контроля его технического состояния (или ремонта) [4].
В существующих методиках оценки остаточного ресурса воздухосборников предлагается проводить расчет малоцикловой усталости в соответствии с [8]. Упрощенный расчет применим не для всех конструкций, а ограничен количеством конструктивных исполнений отдельных элементов и узлов сосудов и аппаратов, приведенных в [8]. Уточненный расчет на малоцикловую усталость основан на определении напряжений для упругого материала по теории пластин, оболочек, колец и балок при линейном распределении напряжений по толщине стенки. При этом для упрощения расчетов эпюры циклов нагружения принимают в виде прямоугольников, причем количество циклов определяют при постоянной нагрузке. Все это упрощает методику расчета, но снижает его точность.
Поэтому в данной работе предложена новая методика оценки остаточного ресурса воздухосборников и проведена оценка малоцикловой усталости на примере воздухосборника В-3,2. Исходные данные для расчета приведены в табл. 1. Кроме этого, в расчете использовалась кривая усталости [8] для углеродистых сталей, работающих до температур 3800С (рис.3).
Расчет малоцикловой усталости проводят, если не выполняется следующее условие:
NP фР], (1)
где Ыр - число циклов нагружения за расчетный срок
службы сосуда; Ыр - допускаемое число циклов на-гружения давлением для сосудов из углеродистых сталей.
Количество циклов изменения внутреннего давления для воздухосборника В-3,2, работающего в условиях локомотивного или вагонного депо, составляет 4380 циклов в год (из расчета, что в сутки внутреннее давление в воздухосборнике падает от 0,8 до 0,5 МПа порядка 12 раз).
4.50Е + 09 о 4.00Е + 09
„ 3.50Е + 0Э I 3.00Е+09
2.50Е+09
| 1.50Е+09
I 1.00Е+09 с
| 5.00Е+08 0.00Е + 00
Ччсло циклов нагружения Рис.3. Кривая усталости для углеродистых сталей до температуры 3800С
Допускаемое число циклов нагружения определялось в соответствии с
N Ь
А
I- \ В_
2300 - ( 2300
(2)
Повреждение
8.510е-001 ^ 7.812е-001 . 7.114В-001 . 8.4156-001 . 5.7176-001 5.01Эе-001 4.321 е-001 3.622е-001 2.9246-001 2.226е-001 1.5286-001 8.2986-002 1.3146-002
Рис. 4. Эпюра повреждений в элементах воздухосборника В-3,2 при продлении срока службы на 10 лет и коррозийном износе 1 мм за весь срок службы с учетом продления
о
где с а _ тах< с
В
а м
по
п
[8]
Срок службы (цикл)
1.200е+006 Н. 1.101 е+006
Щк 1.0026+006
. 9.026е+005 . 8.035е+005 . 7.044е+005 . 6.052е+005 . 5.061 е+005 . 4.070е+005 . 3.078е+005 . 2.087е+005
1 1,096е+005 1,045е+004
. Эпюоа соока службы
характеристики
материала; В _ 1,43с0 - 0,43ст20;
А = 60000 МПа, (сс0, МПа -предел выносливости при изгибе для 100000 циклов нагружения; ст20, МПа - предел текучести материала при 2000С).
В рассматриваемом случае для воздухосборников условие (1) выполняется, поэтому возможно проведение расчета на малоцикловую усталость.
Уровень амплитуд напряжений определялся по результатам расчета прочности (что позволило повысить достоверность теоретических данных) исходя из данных по реальным условиям эксплуатации воздухосборника В-3,2, с учетом изменения уровня амплитуд при коррозийном износе. Коррозийный износ по результатам технического диагностирования для воздухосборника В-3,2 составляет 0,01 мм в год, в расчете рассматривалось равномерное утонение всех элементов воздухосборника при коррозии. Расчет амплитуд производился по формуле
, с -с ■
С1 _ _ тах тт
2
(3)
где
с - с ■
тах тт
- соответственно максимальная и
минимальная амплитуды цикла изменения внутреннего давления (соответствующие полученным эквивалентным напряжениям рассматриваемого цикла). Рассматривалось три цикла изменения внутреннего давления:
- изменение рабочего давления (количество циклов изменения внутреннего рабочего давления при расчете усталостной прочности принималось равным 4380 циклов в год из расчета, что в сутки внутреннее давление в воздухосборнике падает от 0,8 до 0,5 МПа 12 раз); на этот цикл коррозийный износ не оказывает влияния;
- изменение внутреннего давления от 0 до 0,8
без учета коррозийного износа
МПа или от 0,8 до 0 МПа два раза в месяц при остановке и запуске компрессора;
- нагружение воздухосборника испытательным давлением 1,15 МПа один раз в год.
Два последних рассмотренных цикла являются отнулевыми и амплитуды этих циклов возрастают при коррозийном износе по тем же зависимостям, что и эквивалентные напряжения. Для первого года эксплуатации максимальная и минимальная амплитуды принимались равными полученным в результате расчета прочности напряжениям для соответствующего внутреннего давления. Для каждого последующего года службы амплитуды возрастают в соответствии с полученными зависимостями между напряжениями и коррозийным износом. Поэтому для расчета берется усредненная амплитуда, равная полуразности максимальной амплитуды, при наибольшем рассматриваемом коррозийном износе, и минимальной амплитуды напряжений, без учета коррозийного повреждения элементов воздухосборника.
Результаты расчета малоцикловой усталости воздухосборника В-3,2 (при коррозийном износе 1 мм за срок службы с учетом продления) представлены на рис. 4.
В результате расчетов установлено, что наименьшим запасом сопротивления усталости воздухосборника В-3,2 обладает сварной шов в зоне овального люка. При продлении срока службы более чем на 10 лет и коррозийном износе 1 мм возможно образование в указанной зоне усталостных трещин. Указанная зона до появления первых усталостных трещин (без учета коррозийного износа) способна выдержать порядка 208500 циклов нагружения (рис. 5), что соответствует 43 годам службы воздухосборника, при рассмотренных циклах нагружения. При учете коррозии, составляющей 0,5 мм (за весь срок службы с учетом продления), число циклов нагружения, которое способна выдержать конструкция воздухосборника В-3,2, составит 184300 (рис.6) , что соответствует 38,5 годам службы, при тех же циклах нагружения.
Рис. 6. Эпюра срока службы при коррозийном износе 1 мм за весь срок службы с учетом продления
На рис. 7 представлена эпюра коэффициентов запаса усталости без учета коррозийного износа за полный срок службы с учетом продления на 10 лет.
Запас прочности
_ 5.46[1е+000
5.018е+000 4.577е+000 4.135е+000 З.бЭЗе+000 3.252е+000 2.810е+000 2.368е+000 1.927е+000 1.485е+000 1,043е+000 6.016е-001 1.599е-001
Рис. 7. Эпюра коэффициентов запаса усталости без учета коррозийного износа за полный срок службы с учетом продления на 10 лет
Таким образом проведенная серия расчетов остаточной усталостной прочности воздухосборника В-3,2 позволила получить зависимость остаточного ресурса воздухосборника от толщины его элементов (рис. 8).
4 5 6 7 8 Остаточный ресурс, ,кт Рис. 8. Зависимость остаточного ресурса воздухосборника В-3,2 от толщины, определенной по результатам технического диагностирования
Выводы
1. Воздухосборник В-3,2 обладает значительным запасом прочности при номинальной толщине его элементов. Максимальные напряжения в воздухосборнике возникают в зоне овального люка и составляют для случая нагружения рабочим давлением 75,5 МПа, для случая нагружения испытательным давлением 134,5 МПа при допускаемых 142,6 и 213,3 МПа соответственно.
2. При равномерном коррозийном износе более 0,5 мм напряжения к конструкции в зонах концентрации напряжений при нагружении испытательным давлением превышают допускаемые, что свидетельствует о недостаточном запасе прочности конструкции и возможности возникновения повреждений в зоне овального люка.
3. При оценке прочности элементов воздухосборника с номинальными толщинами под действием испытательного давления максимальные напряжения выявлены в зоне овального люка и составили 55% от допускаемых. Данные расчета позволили сделать за-
ключение о достаточной прочности конструкции воздухосборника при действии эксплуатационных нагрузок.
4. Установлены зависимости между коррозийным износом воздухосборника и напряжениями в конструкции, позволившие определить максимально возможную величину коррозийного износа 0,6 мм, при которой возможна эксплуатация сосуда по условию прочности, при нагружении испытательным давлением.
5. Преложена методика определения амплитуд напряжений в элементах воздухосборника с использованием метода конечных элементов, позволяющая обеспечить достаточную точность полученных теоретических результатов и упростить процесс определения остаточного ресурса воздухосборника.
6. Определен остаточный ресурс воздухосборника В-3,2, работающего в условиях определенных эксплуатационных нагрузок, который при коррозийном износе менее 0,25 мм за срок эксплуатации 30 лет составляет более 10 лет.
7. Выявлены зависимости между остаточным ресурсом воздухосборника и коррозийным износом его элементов, на основании которых установлено, что максимальная величина коррозийного износа, при которой возможна дальнейшая эксплуатация сосуда, не должна превышать 0,55 мм. При этих условиях
возможно продление срока службы воздухосборника на срок не более 1 года.
Библиографический список
1. РД 34.17.439-96 Методические указания по техническому диагностированию и продлению сроков службы сосудов, работающих под давлением. М., 1996. 60 с.
2. Методика прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов по изменению параметров технического состояния // Управление промышленной безопасности и охраны труда Министерства топлива и энергетики Российской Федерации. М., 1993. 84 с.
3. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М.: Изд-во стандартов, 1989. 59 с.
4. Методика прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов по изменению параметров технического состояния. М., 1993.
5. ГОСТ 25859-83 Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках. М.: Изд-во стандартов, 1983. 30 с.
6. ГОСТ 25.502-79.
7. Паспорт сосуда работающего под давлением. Заводской № 76630159/ Завод Химического оборудования и промышленной арматуры. Кельце, 1988. 64 с.
8. Есаулов В.П., Сладковский А.В. Применение полуаналитического МКЭ к расчету тел вращения под действием несимметрической нагрузки. Деп. в Укр. ЦИНТИ 02.01.89. №14 - 4к89. 18с.
УДК 531.3
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ВИБРОЗАЩИТНЫХ ТРЕХМАССОВЫХ СИСТЕМ. ФОРМЫ САМООРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ
С.В.Елисеев1, Р.Ю.Упырь2
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Показаны возможности использования режимов динамического гашения для определения главных колебаний трехмассовой механической колебательной системы. Определены возможные формы самоорганизации движения при кинематическом воздействии. Ил. 5. Табл. 4. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: самоорганизация движения; главные колебания; динамическое гашение; виброзащита.
THE FEATURES OF DYNAMICS OF VIBROPROTECTIONAL THREE-MASS SYSTEMS. FORMS OF MOVEMENT SELF-ORGANIZATION. S.Z.Eliseev, R.Y.Upyr
Irkutsk State University of Railway Engineering 15 Chernyshevskii St., Irkutsk, 664074
The authors demonstrate the possibilities to use the regimes of dynamic damping to determine basic oscillations of a three-mass mechanical oscillating system. They determine possible forms of movement self-organization under kinematic impact.
5 figures. 4 tables. 6 sources.
Key words: self-organization of movement; basic oscillations; dynamic damping; vibroprotection.
1Елисеев Сергей Викторович, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, директор НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования, тел.: (3952) 598428, (3952) 665129, e-mail: eliseev_s@inbox.ru Eliseev Sergey Victorovich, an honoured scientific worker of the Russian Federation, a doctor of technical sciences, a professor, a director of the Scientific research institute of modern technologies, system analysis and modeling, tel.: (3952) 598428, (3952) 665129, e-mail: eliseev_s@inbox.ru
2Упырь Роман Юрьевич, научный сотрудник НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования, тел.: (3952) 638326, (9246) 032895, e-mail: msxp@list.ru
Upyr Roman Yurjevich, a research worker of the Scientific research institute of modern technologies, system analysis and modeling, tel.: (3952) 638326, (9246) 032895, e-mail: msxp@list.ru
