Оценка повреждаемости как элемент промышленной безопасности опасных производственных объектов Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.791:539.4

И. Н. Будилов, Г. В. Кулясов, Ю. В. Лукащук, В. В. Шевела

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КАК ЭЛЕМЕНТ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Рассмотрена методика численного моделирования напряженно-деформированного состояния с оценкой силовых параметров разрушения технических устройств (ТУ) нефтехимического оборудования при наличии в нем дефектов применительно к объектам Ростехнадзора. Технология разработана и опробована на основе математических моделей кода ANSYS и FEA-CRACK (с использованием средств моделирования и генерации конечно-элементной модели), предназначенного для решения широкого спектра термопрочностных и мультифизических задач. Промышленная безопасность; математическое моделирование; прочность; дефекты сварного шва

Одной из важнейших задач в области промышленной безопасности является оценка оборудования при наличии в них дефектов технологического характера (непровары сварных швов, поры, включения, коррозионные язвы, вмятины и т. п.), которые не могут быть надежно выявлены в процессе дефектоскопии (ультразвуковой, акустико-эмиссионной, цветной, капиллярной) или по каким либо причинам не могут быть устранены в процессе эксплуатации.

Любое нарушение режимов эксплуатации, неучтенные технологические и эксплуатационные дефекты могут привезти к серьезным последствиям и авариям, сопровождающимися значительными материальными затратами и техногенными катастрофами. Переменные циклические напряжения от внутреннего давления, вибрационные нагрузки и колебания температуры при сменах режимов эксплуатации, а также агрессивные среды приводят к тому, что происходит также и постоянный рост накопленных повреждений в материале конструкции, что в свою очередь приводит к существенному росту скрытых или до поры не выявленных технологических дефектов.

Вопрос оценки дефектов в конструкции актуален еще и потому, что основное оборудование, применяемое в нефтехимии и трубопроводном нефтегазовом комплексе, уже выработало свой ресурс, требует капитального ремонта и замены. Оценка ресурса такого оборудования является неотъемлемой частью экспертизы промышленной безопасности ТУ и должна опираться на достаточно полную и точную информацию о состоянии материала оборудования. Важная часть этой информации может быть

Контактная информация: pnrs2012@mail.ru

получена методами неразрушающего контроля (НК), другая часть может быть получена из изучения технической документации. Но этих данных бывает часто недостаточно и процедура экспертизы промышленной безопасности ТУ носит формальный характер и не отвечает должным образом на вопрос о значениях остаточного ресурса. Экспертиза промышленной безопасности ТУ выполняется, как правило, высококвалифицированными специалистами, которые в силу тех или иных обстоятельств дают субъективную оценку остаточного ресурса ТУ в основном из-за отсутствия достоверных и апробированных методик оценки остаточного ресурса, только основываясь на свой опыт.

Аналитические методы оценки напряженно-деформированного состояния (НДС), широко используемые при проектировании ТУ, не могут в полной мере ответить на вопрос о реальном состоянии оборудования, так как основное их предназначение - расчет отдельных элементов (днищ, обечаек, штуцеров), а не конструкции в целом. Дополнение имеющейся информации соответствующими расчетными численными методами оценки НДС позволит существенно повысить достоверность оценки ресурса нефтехимического оборудования.

Не вызывает сомнение и доказана многочисленными исследованиями высокая достоверность оценок НДС и эффективность применения методик метода конечного элемента при анализе НДС на реальных объектах ТУ нефтехимической промышленности. Современные САЕ-технологии, основанные на автоматизированных численных методах расчета, позволяют существенно расширить круг решаемых задач, в том числе позволяют решать сложные муль-тифизические и смешанные задачи высокой

размерности. Из имеющихся на данный момент коммерческих программных комплексов метода конечного элемента для практической реализации изложенного выше подхода к моделированию разрушения сосудов и трубопроводов наиболее подходят программы ANSYS и FEA-CRACK [1, 2].

Основой создания точных конечно-элементных моделей является проведение толщиномет-рии и НК качества сварных соединений. Наличие дефектов в сварных швах, в том числе и «недопустимых» в соответствии с нормами [3], часто не является препятствием к дальнейшей эксплуатации сосудов и аппаратов при условии численных их расчетов с привлечением последних достижений линейной и нелинейной механики разрушения.

Вопросы, связанные с определением реальной опасности выявленных методами неразрушающего контроля дефектов, оценкой ресурса ТУ с дефектами пока разработаны и апробированы недостаточно, отсутствуют и обученные специалисты, владеющие вопросами механики деформируемого твердого тела и линейной механики разрушения.

Решение задачи оценки прочности оборудования при наличии дефектов в конструкции требует решения сложных задач с применением геометрически и физически нелинейных моделей на основе метода конечных элементов [1].

Предлагаемая методика оценки опасности дефектов, учитывающая их реальные размеры и нагруженность конструкции, позволяет оценить на практике степень опасности реальных дефектов.

Данная работа посвящена оценке НДС на основе численного моделирования и оценке силовых параметров разрушения в сварных швах с технологическими дефектами. В силу того, что аналитические решения в такой постановке достаточно сложны, то для решения задач НДС при наличии дефектов необходимо использовать численные методы, в данном случае это метод конечных элементов, особенно если речь идет об объемной постановке.

1. ОБЩАЯ ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ЗОНЕ ДЕФЕКТА

В работе на примере расчета деаэратора на основе геометрии, паспортных данных, данных толщинометрии был выполнен расчет НДС с учетом внутреннего давления при расчетной

температуре. Также учитывалось наличие технологических дефектов в сварных швах, выявленных методами ультразвукового контроля. Расчет выполнялся с применением современных вычислительных комплексов ANSYS v.11 и FEA-CRACK ^3.1.11.

Конечно-элементная модель (рис.1, б) была построена автоматической разбивкой на конечные элементы твердотельной модели (рис.1, а), построенной в CAD-системе SOLIDWORKS с максимальным приближением геометрии модели к реальной конструкции, и состояла из библиотечных оболочечных конечных элементов пакета ANSYS. Модель учитывала геометрические особенности аппарата (реальную толщину стенки), вес конструкции и реальные условия закрепления в виде ограничений на перемещения в местах крепления аппарата.

Результаты расчета при действии внутреннего давления в виде изолиний интенсивности напряжений в МПа показаны на рис. 2, а. Анализ полей НДС в данной модели позволил выявить наиболее нагруженные зоны, которые находятся на внутренней поверхности патрубка на уровне его стыка с обечайкой. Большие значения эквивалентных напряжений в этой зоне связаны с наличием больших окружных напряжений. Из рис. 2 видно, что эквивалентные напряжения распределяются неравномерно в различных сечениях аппарата. В местах врезки штуцеров, зоне соединения обечайки и днища напряжения существенно возрастают.

На рис. 2, б приведена картина распределения интенсивности напряжений при действии осевой силы от гравитации и изгибающего момента Мх, обусловленного действием ветровой нагрузки.

Таким образом, наиболее опасным является сочетание внутреннего давления, осевой силы и ветровой нагрузки. Поэтому дальнейшие расчеты проводились для этого сочетания нагрузок.

а б

Рис. 1. Твердотельная (а) и конечноэлементная (б) модель деаэратора Б-1

Д.

б

Рис. 2. Распределение интенсивности напряжений (Па) в конструкции при действии осевой силы (а) и изгибающего момента Мх (б)

Дефекты сварного шва

Таблица 1

а

Рис. 3. Формы дефектов

2. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ В ДЕФЕКТАХ СВАРНЫХ ШВОВ

Отдельного внимания заслуживает оценка силовых и энергетических параметров разрушения в зоне технологических дефектов. В табл. 1 приведены наиболее часто встречающиеся дефекты технологического характера в сварных швах реальных конструкций ТУ.

На рис. 3 показано обозначение, принятое в расчетах, и параметры формы дефекта, который может располагаться в произвольном месте элемента конструкции.

Элементы конструкции со специальной генерацией конечно-элементной сетки в области дефекта показаны на рис. 4-6. Процедура разбивки на конечные элементы была максимально автоматизирована с помощью вычислительного комплекса БЕА-СЯАСК [2].

Рис. 4. Фрагменты конечно-элементной модели в зоне пересечения обечаек

Рис. 5. Форма фронта дефекта по внутренней стороне обечайки

Рис. 6. Форма фронта дефекта по наружной стороне обечайки

3. ОЦЕНКА ДОПУСТИМОСТИ ДЕФЕКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРИТЕРИЯ РАЗРУШЕНИЯ

Дефект типа «эллиптическая трещина» моделировался тонким разрезом (рис. 3), где напряжения и деформации описывались соотношением:

о

— I

К

РГ

'/(©)'

/2(0)

/з(©)

+

К

л/2

РГ

/>(®) /4(0) /6(0)

+ 0(г),

К

РГ

где г, 0 - полярные координаты с полюсом в вершине трещины; К1, Кп - коэффициент интенсивности напряжений.

Перемещения у вершины трещины описывались асимптотическим уравнением:

Т7 К1 [Г ( л. 0 30 ^

и=О 2Р I.(2к" 1)С°57 - С05Т ]+

+ ((2К + 3)51110 + 51"Т) + 0(Г)-

К1 [7( л.. 0 . 30 ^

к=5о\(2Р [ (2к+1)5Ш7 - 5ШТ ]+

+((2к-3)С05 I+С05т)+0(г)-

У

г

— 8ш -^ + 0(r); О \2к 2

где G, V - модуль упругости при сдвиге и коэффициент Пуассона.

Расчет силовых критериев и интеграла Черепанова-Райса выполнялся по известным формулам [4]:

К =

Е

2(1 -V2) V 2Ь J = !| Wdy -а

—Аиі, і = 1,2,3

ди‘ ^

и.---------dS

J дх

О =

ЬГ (к; + КІ)+1+1 К]„,

Е Е

где ЛЦ- - функция перемещения в вершине трещины.

На рис. 7 показаны значения (изолинии) эквивалентных напряжений в зоне сварного шва приварки патрубка к обечайке.

фронту эллиптического дефекта и достигают своего максимума в центре фронта трещины (ф = 2л).

2ф/л

2ф/л

Рис. 8. Распределение коэффициента интенсивности напряжений и О-интеграла по фронту дефекта: 1- М=0,4; 2 - М=0,3; 3 -М=0,25;

м

б

Рис. 7. Распределение интенсивности напряжений (Па) в зоне усиления сварного шва при наличии технологического дефекта (а) и изменение силового параметра (КИН) по фронту трещины (б)

Графики изменения значения J, G-интеграла показаны на рис. 8. Установлено, что значения I- и G-интегралов существенно изменяются по

Эта информация является основной для оценки безопасности дефекта по критерию К < < К1с (II < !1с и Gl < Glс) и рекомендуется для использования в расчетах при оценке остаточного ресурса при проведении процедуры ЭПБ ТУ.

На основе представленных подходов могут быть получены обобщенные данные по оценке допустимости дефектов с использованием силового критерия разрушения.

ВЫВОДЫ

Разработан и продемонстрирован подход к моделированию разрушения элементов ТУ на основе ANSYS и FEA-CRACK-вычислительной технологии, которая эффективна для моделирования НДС и оценки влияния внешнего воздействия.

Г

а

Широкие функциональные возможности FEA-CRACK-технологии, совмещенные со

средствами моделирования ANSYS и отображением результатов в графическом виде, существенными набором в базе данных материалов, возможностью решения задач Лагранжевой, Эйлеровой и совмещенной постановках, возможность решения задач линейной и нелинейной механики разрушения, позволили разработать эффективные вычислительные технологии, обеспечивающие качественно новый подход к анализу безопасности ТУ при проведении экспертизы промышленной безопасности ТУ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ANSYS User's Manual for version 14.0. Theory.

2. FEA-CRACK User's Manual for version 3.0.13 (Structural Reliability Technology).

3. ОТУ 2-92. Сосуды и аппараты. Общие ТУ на ремонт корпусов. Волгоград, 1992. 148с.

4. Черепанов Г. П. Механика разрушения. М.: Наука, 19S3. 295с.

ОБ АВТОРАХ

Будилов Игорь Николаевич, проф. каф. сопротивления материалов. Дипл. инженер по технологии и оборудованию сварочн. произв-ва (УГАТУ, 1998). Д-р техн. наук по тепловым двигателям летательн. аппаратов (ЧПИ, 1972). Иссл. в обл. механики разрушения, прочности элементов ГТД.

Кулясов Геннадий Викторович, техн. дир. ООО «Техническая диагностика». Дипл. инженер по машинам и обработке металлов давлением (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. механики деформируемого твердого тела, прочности элементов конструкций нефте-хим. оборудования.

Лукащук Юрий Валентинович, доц. каф. ОКМиМ. Дипл. инженер по автоматизации машинострои-тельн. пром-ти (УАИ, 1972). Канд. техн. наук по тепл. двигателям летательн. аппаратов (УАИ, 1981). Иссл. в обл. прочности и надежности элементов конструкций методами комп. моделирования.

Шевела Владислав Владимирович, зав. отд. ГУП «БашНИИнефтемаш». Дипл. инженер по материаловедению в машиностроении (УГАТУ, 1996). Иссл. в обл. механики деформируемого твердого тела, прочности элементов конструкций нефтехим. оборудова-

ния.