CC BY
17
УДК 621. 86. 065. 4+531
В.К. Коротовских, С.В. Марфицын Курганский государственный университет
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ
Аннотация
Дается теоретическое обоснование коэффициенту запаса на основе вероятности достижения предельного состояния по пределу текучести. Представленные энтропийно-энергетические зависимости позволяют выявить резервы коэффициента запаса прочности при низких температурах. Это расширяет эксплуатационное возможности нефтегазового оборудования.
Ключевые слова: предел текучести, энтропия, возрастание, ударная вязкость.
V.K. Korotovskikh, S.V. Marfitsyn Kurgan State University
THERMODYNAMIC BASIS OF SAFETY FACTOR
Annotation
There is a theoretical base of safety factor, which (coefficient strength) will the help of variety yield of achievement limit conditions. Given energetic meanings allows knowing the store of yield coefficient at low temperature. This makes wide exploitation abilities of oil gas equipment. Key words: yield strength, entropy, increase, resilience.
где ст т - предельное напряжение, соответствующее пределу текучести;
ст экв - эквивалентное напряжение. Вероятность достижения предельного состояния в функции от энтропийного параметра Р:
P = _ !
eTOH ,
(1)
где ди / Т - приращение энтропии от начальной временной точки отчета;
Ин / Тн - начальный энергетический напор;
д И - энергия, перешедшая в работу;
Т - средняя абсолютная температура в рассматриваемом временном интервале;
Ин - энергия упругой деформации в начальный момент времени;
Тн - абсолютная температура в начальный момент времени.
Если принять вероятность достижения предельного состояния Р = 1, а энергию д и выразить через д итах, то уравнение (1) примет вид:
АИшахТН
TUH
e = 2. Прологарифмируем выражение (2):
(2)
AUmaxTH = ln2 ;
AU„
с t л
TUH
Uh
V TH у
ln2
Выразим энергию предельного состояния Ип через некоторую начальную энергию Ин и предельное приращение энергии д Ишах:
Ип = Ин +АИшах . (3)
В настоящее время происходит активное продвижение добычи нефти и газа в северные районы нашей страны. При этом возникает необходимость эксплуатации нефтегазового оборудования при экстремально низких температурах (- 600 С, - 70 0 С). В подобных условиях необходимо знать и уметь оценить резерв прочности нефтегазовой арматуры.
Согласно [1], предельным считается «такое напряженное состояние, которое соответствует либо началу его разрушения, либо началу возникновения физического процесса, который считается по какой-либо причине недопустимым, нежелательным или опасным. Например, весьма часто считают предельным напряженное состояние, соответствующее началу образования массовых остаточных (пластических) деформаций материала».
Сравнение напряженных состояний удобно производить, если одно наиболее типичное и легко осуществимое в экспериментальных установках напряженное состояние выбрать за основу и, пользуясь принятым критерием, сопоставить с ним все другие напряженные состояния. Это основное напряженное состояние называют эквивалентным [1].
Таким образом, эквивалентное напряжение ст экв представляет собой главное напряжение воображаемого растянутого элемента из того же материала, что и заданный элемент, причем растянутый элемент находится в таком же опасном напряженном состоянии, что и исследуемый [1].
Согласно сказанному выше коэффициент запаса п при одноосном растяжении равен:
п = т 1 экв ,
Разделив обе части уравнения (3) на UH получим: Ut
Uh
Un, = 1 + _AUmax
Uh
U. = 1 + (-T I ln2
Uh I TH
Заменим значение энергии в единице объема через напряжения:
стПБ Ест H
• = 1 +
с t л
V TH )
ln2
(1 +
i t ^
v th j
ln2)CTH
(4)
В формуле (4) при температуре T = Тн:
стn =yl(1 + 1п2)стH =V1 + 0,6931cth = 1,3012aH ([2]),
или стH = 0,7686стn .
(5)
При температурах TH =160С =2890К; Т = -200С=2530К
СТn ^ 1° +(J2S3) ln2°H = 1,2676 ;
ст H = 0,7889стп
Если Тн = 160С = 2890К; Т = - 400С = 2330К, то
(6)
СТn = 1+ (^2399] 1п2)стH = 1,2485ah ;
n
10
ВЕСТНИК КГУ, 2010. №1
ст H = 0,8010ст
(7)
УДК 539.319:620.179.18
Если T = 160С = 2890К; Т = - 600С = 2130К, получим
стп = 1 +
213 289
1п2стH = 1,2263 ;
стH = 0,8155стп .
(8)
Поскольку предельное напряжение ст n= ст т с уменьшением температуры возрастает (см. табл. 22) [1,256], то ст н также увеличивается.
В нефтегазовой арматуре принимается допускаемое напряжение [ ст ] по ASME [3]:
[ ст ] = 2/3 ст т = 0,6667 ст т. Отсюда термодинамический запас прочности при положительной температуре, например при t = 160С (зависимость 5) будет равен:
0,7686/0,6667 = 1,1528 (15,28%) Это значит, что при заданном допускаемом напряжении [ ст ] до предела пропорциональности ст пц остается термодинамический запас д n = 15,28%.
Сравнив найденные по выражениям (6) - (8) напряжения ст н при отрицательных температурах с допускаемым [ ст ], получим:
при t = - 200С; Д n = 0,7889 / 0,7686 = 1,0264 (2,64%); при t = - 400С; Д n = 0,8010 / 0,7686 = 1,0422 (4,22%); при t = - 600С; д n = 0,8155 / 0,7686 = 1,0610 (6,10%).
Вывод:
Таким образом, в дополнение к термодинамическому запасу 15,28% при отрицательных температурах появляется дополнительный резерв увеличения коэффициента запаса прочности. Например, данный резерв достигает при температуре t = - 400С величины 4,22%; при t = - 600 С - 6,10%.
Это расширяет эксплуатационные возможности нефтегазового оборудования.
Список литературы
1. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К. и др. Расчеты на
прочность в машиностроении. - Т. 1. - М.: МАШГИЗ, 1956. - С. 256, 271, 272, 275.
2. Макаров В.И., Марфицын А.В., Марфицын С.В., Марфицын В.П.
Использование энропийной вероятностной зависимости при рассмотрении некоторых констант материалов. - Курган: Курганский гос. университет. - 1994. - Рук. деп.в ВИНИТИ, №2303-897.
3. Международный стандарт ANSI / API 6A. - 2003. - П. 4.3.3.2.
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 5
С.Г. Тютрин, Л.Н. Тютрина
Курганский государственный университет
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ
Аннотация
Рассмотрены основные положения по применению металлических покрытий в качестве средства технической диагностики деталей машин. Метод направлен на повышение эффективности технического обслуживания и ремонта машинно-тракторного парка.
Ключевые слова: техническая диагностика, металлические покрытия.
S.G. Tyutrin, L.N. Tyutrina Kurgan State University
TECHNICAL DIAGNOSTICS BY USING METAL COATS
Annotation
The fundamentals usade of metal coats as a technical diagnostics tool of machinery elements are presented. The methods destine to increase an service efficiency and mainten-ance of machine-and-tractor fleet.
Key words: technical diagnostics, metal coats.
Введение. Одним из способов снижения техногенного воздействия на окружающую среду является применение технической диагностики машин и оборудования. Техническая диагностика, являясь безразборным методом контроля, позволяет:
1) исключить напрасные сборки и разборки исправных агрегатов при проведении контроля их технического состояния;
2) устранять причины возникновения аварий, тем самым предотвращать аварийные разрушения конструкций;
3) выбирать оптимальную стратегию технического обслуживания и ремонта;
4) повысить долю используемого ресурса долговечности при повышении уровня надежности деталей.
В результате достигается значительная экономия материальных, энергетических, трудовых и финансовых ресурсов.
Необходимость инноваций и совершенствования средств технической диагностики обусловлено, в том числе, значительной долей малых хозяйств, оснащение которых дорогими высокотехнологичными средствами контроля и учета является проблематичным.
1. Становление и развитие метода. Среди большого разнообразия существующих средств технической диагностики своей простотой, доступностью и большими возможностями в применении выделяются металлические покрытия [1]. В отличие от методов хрупких лаковых покрытий или оптически чувствительных покрытий, где на поверхность контролируемой детали наносится слой лака или оптически чувствительного материала, здесь на поверхность детали наносится слой металла, выносливость которого в данных условиях меньше выносливости материала детали. Это осуществляется, например: электролитическим осаждением меди, никеля и др.; пайкой легкоплавких припоев; наклейкой медной, алюминиевой и др. фольги.
11
