Для исследования разрушения отвода в рабочих условиях требуется предварительно изучить напряженно-деформированное состояние модели. В качестве исходной модели принят отвод, приведенный на рисунке 1, для которого исследовано напряженно-деформированное состояние в упругой постановке (без пластических деформаций) при внутреннем номинальном давлении 6,0 Мпа [1].
Конечно-элементная модель приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Конечно-элементная модель исходного отвода
При заданных условиях распределение эквивалентных напряжений имеет вид, показанный на рисунке 2.
Рис. 2. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в отводе под действием внутреннего давления 6,0 МПа
При заданных условиях установлено, что наибольшие значения эквивалентных напряжений составляют 102,6 МПа, наименьшие значения эквивалентных напряжений — 62,3 МПа. Наиболее опасная зона для формирования сквозных дефектов и последующего разрушения является внутренняя поверхность отвода с меньшим радиусом кривизны. Так как при упругой постановке задачи эквивалентные напряжения линейно зависят от нагружения, то данные результаты коррелируют со значениями, приведенными на рисунке 2.10 при давлении 3,8 МПа.
Но, так как разрушение произошло по наружной поверхности, то следует, что фактор износа и утонения стенки в этой зоне привел к существенному перераспределению напряжений. В результате этого произошло значительное увеличение эквивалентных напряжений с 62,3 МПа до разрушающих значений (выше предела текучести) для стали 20.
Так как отвод является деталью трубопровода с подводимыми и отводимыми прямыми участками, то целесообразно рассмотреть влияние сопряженных участков и сварных соединений на распределение эквивалентных напряжений. Модель и ее конечно-элементная интерпретация приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Модель отвода с сопряженными прямыми участками
При всех построениях учитывались только номинальные геометрические размеры без учета дефектности (утонения стенок, эллипсность).
При внутреннем давлении 6,0 МПа распределение эквивалентных напряжений показано на рисунке 4.
Рис. 4. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в отводе и сопряженных трубопроводах под действием внутреннего давления 6,0 МПа
Установлено, что наибольшие значения эквивалентных напряжений составляют 107,5 МПа, наименьшие значения эквивалентных напряжений — 32,9 МПа. Наиболее опасное место для развития трещин и последующего разрушения является внутренняя поверхность отвода с меньшим радиусом кривизны. Добавление в модель фрагментов труб незначительно увеличивает значения эквивалентных и средних напряжений.
Таким образом, в дальнейших исследованиях можно принять данную модель отвода при разных степенях износа стенки на участке с большим радиусом кривизны с целью определения параметров, при котором происходит разрушение.
Данные исследования необходимы для того, чтобы обеспечить условия решения задачи, при котором происходит разрушение отвода. Были приняты следующие условия: Р=6,0 МПа, t=20 ℃, материал — сталь 20 [2].
Рассмотрены различные степени эрозионного утонения (выработки) стенки отвода по внутренней поверхности большего радиуса: 0,6 мм (11 %), 1,2 мм (22 %), 2,65 мм (50 %), 4,1 мм (77 %) и 4,7 мм (89 %). Алгоритм решения задач был следующий:
— в исходной модели создается геометрическое утонение стенки с плавным переходом на основную толщину;
— задаются условия закрепления и нагружения;
— создается конечно-элементная модель;
— производится САЕ-анализ (прочностной анализ) модели;
— визуализируются результаты в виде распределения эквивалентных напряжений и относительных деформаций отвода;
— анализируются полученные результаты.
На рисунке 5 приведен пример модели конечно-элементной сетки при выработке 11 %.
Рис. 5. Модель и конечно-элементная сетка при выработке 11 %
Аналогичным образом при моделировании строились модели и сетки при других степенях выработки.
При выработке отвода 11 % наибольшие значения эквивалентных напряжений составляют 102,7МПа, наименьшие значения эквивалентных напряжений составляют 61,91 МПа. Наиболее опасное место для развития трещин и последующего разрушения является внутренняя поверхность отвода на внутреннем радиусе кривизны. Однако и в зоне утонения стенки напряженное состояние становится выше, чем в исходной модели.
При выработке отвода 22 % наибольшие значения эквивалентных напряжений составляют 102,8 МПа, наименьшие значения эквивалентных напряжений составляют 60,58 МПа. Относительные деформации незначительны. Наиболее опасное место для развития трещин и последующего разрушения является внутренняя поверхность отвода на внешнем радиусе кривизны.
При выработке отвода 50 % наибольшие значения эквивалентных напряжений составляют 144,1 МПа, наименьшие значения эквивалентных напряжений составляют 57,32 МПа. Максимальное значение относительной упругой деформации e =7,157‧10– 4 , что еще составляет менее предела относительной упругой деформации, равной 2‧10– 3 . Наиболее опасное место для развития трещин и последующего разрушения является внутренняя поверхность отвода на внешнем радиусе кривизны.
При выработке отвода 77 % наибольшие значения эквивалентных напряжений составляют 305,1 МПа, наименьшие значения эквивалентных напряжений составляют 52,48 МПа. Максимальное значение относительной упругой деформации e =1,552‧10– 3 , что еще составляет менее предела относительной упругой деформации, равной 2‧10– 3 . Наиболее опасное место для развития трещин и последующего разрушения является внутренняя поверхность отвода на внешнем радиусе кривизны.
При выработке отвода 89 % наибольшие значения эквивалентных напряжений составляют 579,3 МПа, наименьшие значения эквивалентных напряжений составляют 50,98 МПа. Максимальное значение относительной упругой деформации e=2,961‧10– 3 , что превышает предел относительной упругой деформации, равной 2‧10– 3 . Наиболее опасное место для развития трещин и последующего разрушения является внутренняя поверхность отвода на внешнем радиусе кривизны. Таким образом, пластическая деформация отвода под действием номинального внутреннего давления 6,0 МПа при температуре 20 ℃ в месте разрушения начинается при выработке материала в интервале 80…90 % [3].
Обобщенные результаты по исследованию напряженно-деформированного состояния приведены на рисунке 6.
Рис. 6. Эквивалентные напряжения и относительные деформации в зависимости от износа стенки отвода
Литература:
1. Гафарова, В. А. Диагностика ресурса конструкций / В. А. Гафарова, М. И. Кузеев, А. П. Терехов // Вестник молодого ученого УГНТУ. — 2016. — № 2. — С. 62–67.
2. Ахтареева, Л. П. Причины и условия распространения трещин при различных режимах нагружения оборудования / Л. П. Ахтареева // Материалы 70-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ / УГНТУ. — Уфа, 2019. — Т. 1. — С. 192–193.
3. Кузеев, И. Р. Основное оборудование технологических установок НПЗ / И. Р. Кузеев, Р. Б. Тукаева, М. И. Баязитов, С. Ш. Абызгыльдина // Уфа: Издательство УГНТУ/ УГНТУ. — Уфа, 2013. -С. 57–61
