Научная статья на тему 'Оценка вероятности безотказной работы трубопроводной арматуры энергетического применения'

Оценка вероятности безотказной работы трубопроводной арматуры энергетического применения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
132
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
FRACTURE TOUGHNESS / STRESS INTENSITY FACTOR / SURVIVAL FUNCTION / ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ / КОЭФФИЦИЕНТ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ / ВЕРОЯТНОСТЬ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Скобцов И. Г., Шиловский В. Н., Любавский Н. А.

Статья посвящена исследованию трещиностойкости корпуса клиновой задвижки системы охлаждения атомного реактора. Расчет интенсивности напряжений проведен методом конечных элементов с использованием программного комплекса SolidWorks Simulation. Проведена оценка вероятности безотказной работы конструкции, на основании полученных результатов сделан вывод о наиболее опасном варианте возникновения трещиноподобного дефекта.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The estimation of survival function of power producing papelinecontrol valve

This paper deals with the investigation of crack strength of nuclear reactor cooling system wedge valve body. The main fracture mechanics expressions linking stress intensity factor with cracklike defect length are presented in the introduction. Analytical equations for reliability function evaluation are obtained, fracture toughness and stress intensity factor are viewed as Gaussian random values in the second part of the paper. The statistical linearization method is used to determine the distribution parameters (mean value, dispersion). The stress intensity was estimated by the finite element method with the use of SolidWorks Simulation system. Calculations are done for different types of cracks: throughwall, edge and semielliptic. It is shown that the presence of cracklike defects, even of small length, rather reduces the level of reliability function.

Текст научной работы на тему «Оценка вероятности безотказной работы трубопроводной арматуры энергетического применения»

Оценка вероятности безотказной работы трубопроводной арматуры

энергетического применения

И.Г. Скобцов, В.Н. Шиловский, Н.А. Любавский Петрозаводский государственный университет, Петрозаводск

Аннотация: Статья посвящена исследованию трещиностойкости корпуса клиновой задвижки системы охлаждения атомного реактора. Расчет интенсивности напряжений проведен методом конечных элементов с использованием программного комплекса SolidWorks Simulation. Проведена оценка вероятности безотказной работы конструкции, на основании полученных результатов сделан вывод о наиболее опасном варианте возникновения трещиноподобного дефекта.

Ключевые слова: вязкость разрушения, коэффициент интенсивности напряжений, вероятность безотказной работы.

Введение. В конструкционных материалах еще до начала эксплуатации могут встречаться несовершенства в виде пор, неметаллических включений, несплошностей, раковин и др. Зарождение и развитие трещин, как правило, происходит в зоне действия наибольших напряжений на основе различного рода дефектов. Исследованию надежности элементов конструкций с позиций механики разрушения посвящены работы [1-4]. Очевидно, что оценка и повышение надежности элементов трубопроводных систем атомной энергетики, отказы которых являются недопустимыми, представляется актуальным.

Согласно силовому подходу Дж. Ирвина [5], условие

самопроизвольного роста трещины будет выполнено при достижении коэффициентом интенсивности напряжений К критического значения КС (вязкости разрушения)

К = К1С. (1)

Коэффициент интенсивности напряжений определяется по формуле

Kj = Yj(l)l, (2)

где Yi(l) - коэффициент, учитывающий геометрическую форму детали и длину трещиноподобного дефекта; о - нормальное напряжение,

растягивающее трещину; l - длина (полудлина) трещины.

Для определения вероятности безотказной работы при наличии дефектов использован метод расчета, основанный на том, что законы распределенияfi(Ki) и f2(Kic) известны и статистически независимы [6].

Согласно [6], вероятность безотказной работы

R = Pr{Kic * Ki }= Pr{KiC - Ki > 0}. (3)

Обозначив разность Y = Kic - Ki и приняв допущение о ее нормальном распределении с математическим ожиданием

У = Kic - Ki (4)

и дисперсией

—2 =2 2 —У =—Kic +—Ki ,

можно получить выражение для вероятности безотказной работы [7]

(5)

Я —___

R = ,— f e 2 dt.

(6)

где z = -

У

У

Здесь Ki, <j2k

Kic - K

i

—Kic + —K

(7)

K

ic

i

<—'2IC - математические ожидания и дисперсии

2

коэффициентов Ki и Kic.

Используя метод статистической линеаризации, на основании выражения (2) получим формулы для оценки математического ожидания и дисперсии коэффициента Ki

Ki = Yj—yfm, (8)

= ( 4Л f

сс +

YJa

Л2

al

(9)

Здесь с , , l, с2 - математические ожидания и дисперсии действующих

напряжений о и длин трещины l.

Коэффициент, учитывающий геометрическую форму детали и длину трещиноподобного дефекта составляет: для граничной краевой трещины Yj(l) = 1.1215, для сквозной трещины Yj(l) = 1.0, для полуэллиптической трещины [8]

0.8

Yj(l) =

1 - 0.5-

5

(10)

где д - толщина стенки (таблица 1).

Расчет действующих напряжений. В работе приведен расчет на примере трубопроводной арматуры для энергетического применения, в частности -клиновой задвижки. Конструкция задвижки включает корпус и крышку, которые образуют полость с рабочей средой, внутри которой перемещается регулирующий элемент. В клиновых задвижках (рис. 1) седла расположены в корпусе под небольшим углом друг к другу, а затвор представляет собой устройство в виде клина — жесткого, упругого или двухдискового, который плотно входит в пространство между седлами.

Для расчета нагрузки будем использовать корпус с входными параметрами, согласно общим техническим требованиям для

трубопроводной арматуры (НП-068-05. Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования):

- проходной диаметр DN = 100 мм;

- рабочее давление P = 2.5 МПа;

- рабочая температура t = 250 С°;

- материал - сталь 20 КП 195.

Рис. 1 - Клиновая задвижка:

1 - седло; 2 - клин; 3 - корпус; 4 - крышка Расчет интенсивности напряжений проведен методом конечных элементов с использованием программного комплекса SolidWorks Simulation. В качестве исследуемой детали арматуры была выбрана самая крупная деталь - корпус. Материал корпуса представлен в виде упругой изотропной среды; модель корпуса, имеющего две оси симметрии, представлена на рис.2. Вся внутренняя поверхность корпуса нагружена давлением P, а к торцу патрубков приложен сосредоточенный момент и сила от воздействия присоединяемых трубопроводов, согласно общим техническим требованиям для трубопроводной арматуры. В результате расчета была получена эпюра интенсивности напряжений на внутренней поверхности патрубка, представленная на рис. 2. Максимальное значение интенсивности

напряжений приходится на сварное соединение патрубка задвижки с трубопроводом и составляет Gjn,ax= 85 МПа. Исходные данные для оценки

вероятности безотказной работы при наличии трещиноподобных дефектов представлены в таблице №1.

Рис. 2 - Эпюра интенсивности напряжений на внутренней поверхности

корпуса

Таблица № 1

Исходные данные для расчета вероятности безотказной работы

Характеристика Обозначение Единицы измерения Значение

Максимальное напряжение лтаг а1 МПа 85

Критический коэффициент интенсивности напряжений Kic МПа 44,6

Предел прочности* об МПа 390

Предел текучести* о0,2 МПа 195

Толщина стенки патрубка д мм 8

* Данные для оценки вероятности безотказной работы корпуса при отсутствии дефектов

Таким образом, принимаем оценки параметров распределений случайных величин для расчета по формулам (4) - (10):

ст = 85 МПа; Kjc = 44.6 МПа• л/м ; 1 = 1

сга = 0.1 ст; ак1С = 0Л Kic ; а1 = 0.1 1 [9]

Результаты расчета представлены на рис. 3. Предложенный метод позволяет определить вероятность безотказной работы в зависимости размера дефекта в зоне возникновения максимальных напряжений, а также в зависимости от вида трещины.

Рис. 3 - График зависимости вероятности безотказной работы корпуса от длины трещины: 1 - краевая; 2 - сквозная; 3 - полуэллиптическая

Вывод: с помощью вероятностно-статистического подхода проведена оценка вероятности безотказной работы корпуса трубопроводной арматуры низкого давления при возникновении в зоне максимальных напряжений трещин различной формы и длины. Наиболее опасный вид дефекта для клиновой задвижки - полуэллиптическая трещина. Полученные данные можно использовать при оценке работоспособности элементов конструкций, используемых в важных системах атомной энергетики [10], отказы в которых являются недопустимыми.

Литература

1. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Книга по требованию, 2013. 312 с.

2. Pitukhin A.V. Fracture Mechanics and Optimal Design // Int. Journal for Numerical Methods in Engineering. 1992. Volume 34, № 3. pp. 933-940.

3. Pitukhin A.V. Optimal Design Problems Using Fracture Mechanics Methods // Computers and Structures. 1997. Volume 65, № 4. pp. 621-624.

4. Скобцов И.Г. Оценка несущей способности устройства защиты

оператора лесопромышленного трактора с позиций механики разрушения // Инженерный вестник Дона, 2015, № 2 URL:

ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2889.

5. Irwin G.R. Fracture dynamics // Fracturing of metals. ASM. Cleveland. 1948. pp. 147-166.

6. Питухин А.В. Вероятностно-статистические методы механики разрушения и теории катастроф в инженерном проектировании. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1998. 304 с.

7. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 2003. 479 с.

8. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие: В 4 т. / Под общей ред. Панасюка В.В. Киев: Наук. думка, 1988. Т. 2: Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещинами / Саврук М.П. 620 с.

9. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 480с.

10. Шегельман И.Р., Васильев А.С. Модернизация корпуса

контейнера для сортировки и хранения отработавшего ядерного топлива // Инженерный вестник Дона, 2018, № 3 URL:

ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5145.

References

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Bolotin V.V. Prognozirovanie resursa mashin i konstruktsij [Prediction of Machine and Construction Useful Life Span]. Moscow: Kniga po trebovaniju, 2013. 312 p.

2. Pitukhin A.V. Int. Journal for Numerical Methods in Engineering. 1992. Volume 34, № 3. pp. 933-940.

3. Pitukhin A.V. Computers and Structures. 1997. Volume 65, № 4. pp. 621624.

4. Skobtsov I.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2889.

5. Irwin G.R. Fracturing of metals. ASM. Cleveland. 1948. pp. 147-166.

6. Pitukhin A.V. Verojatnostno-statisticheskie metody mehaniki razrushenija i teorii katastof v inzhenernom proektirovanii [Stochastic Methods of Fracture Mechanics and Catastrophe Theory in Engineering Design]. Petrozavodsk: PetrSU Publ., 1998. 304 p.

7. Gmurman V.E. Teorija verojatnostej i matematicheskaja statistika [Theory of Probability and Mathematical Statistics]. Moscow: Vysshaja shkola, 2003. 479p.

8. Mekhanika razrusheniya i prochnost materialov [Fracture Mechanics and Strength of Materials]: Resource book in 4 volumes. By V.V. Panasyuk edition. Kiev: Nauk. dumka, 1988. Vol. 2: Koefficienty intensivnosti napryazhenij v telah s treshhinami [Stress Intensity Factors in Solids with Cracks]. Savruk M.P. 620 p.

9. Serensen S.V., Kogaev V.P., Shneyderovich R.M. Nesushhaja sposobnost’ i raschety detalej mashin na prochnost’ [Load-carrying Capacity and Machine Element Strength Analysis]. Moscow, Mashinostroenie, 1975. 480 p.

10. Shegelman I.R., Vasil’ev A.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n3y2018/5145.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.