Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634699)
Контекстум
.
Инженерный журнал: наука и инновации

Инженерный журнал: наука и инновации №4 2021 (200,00 руб.)

0   0
Страниц381
ID668691
Аннотация«Инженерный журнал: наука и инновации» – научно-практическое издание, в котором публикуются оригинальные (т. е. не опубликованные в других изданиях) статьи, содержащие результаты научных исследований по всем разделам, заявленным в рубрикаторе. Выбор электронной формы издания был обусловлен необходимостью оперативного введения в научный оборот результатов научных исследований, что соответствует тенденции сделать оплаченные государством результаты научного труда общественным достоянием. Это же предполагает выбор редакцией журнала свободного доступа к его контенту.
Кому рекомендованоЖурнал предназначен для научных работников всех рангов, инженеров, практических работников, молодых ученых и аспирантов.
Инженерный журнал: наука и инновации .— Москва : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 .— 2021 .— №4 .— 381 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/668691 (дата обращения: 25.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Инженерный_журнал_наука_и_инновации_№4_2021.pdf
УДК 539.42 : 622.69 DOI: 10.18698/2308-6033-2021-4-2069 Анализ живучести магистрального нефтепровода в зоне стыкового сварного соединения © А.М. Покровский, Е.И. Дубовицкий МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия Рассмотрена методика анализа живучести магистрального трубопровода в зоне поперечного сварного шва при эксплуатации с учетом остаточных сварочных напряжений. Расчет остаточных сварочных напряжений выполнен методом конечных элементов задачи термоупруговязкопластичности для материала с нестационарной структурой. Решение нелинейной нестационарной задачи теплопроводности проведено методом конечных разностей с использованием граничных условий третьего рода. Моделирование кинетики превращения аустенита в феррито-перлит и бейнит в неизотермических условиях при сварке осуществлено на основании теории изокинетических реакций. В основу расчета живучести положены критерий Ирвина и формула Пэриса. Ключевые слова: магистральный трубопровод, остаточные сварочные и эксплуатационные напряжения, метод конечных элементов, механика разрушения, оценка живучести Введение. Магистральные нефтепроводы соединяют в единую систему посредством электродуговой сварки встык отдельных труб. Повреждение нефтепроводов происходит чаше всего вследствие разрушения поперечного сварного шва. Поэтому анализ живучести трубопровода в зоне сварного стыкового соединения — чрезвычайно актуальная задача, при решении которой основной проблемой является вычисление остаточных сварочных напряжений. Остаточные сварочные напряжения можно определить экспериментальными методами [1, 2], для чего необходимо иметь уникальное дорогостоящее оборудование. Следует также учитывать, что выполнение таких работ — трудоемкий процесс. Поэтому удобнее применять численные методы расчета остаточных сварочных напряжений в деталях, например, с использованием стандартных конечноэлементных комплексов ANSYS [3] и ABAQUS [4]. Однако эти комплексы не позволяют учитывать изменение фазово-структурного состава, который оказывает существенное влияние на теплофизические и физико-механические свойства стали, что приводит к большой погрешности при вычислении остаточных сварочных напряжений. Отдельно следует отметить авторский конечно-элементный комплекс «Сварка» [5], в котором моделирование структурообразования ведется при наложении кривых охлаждения на термокинетические диаграммы превращений переохлажденного аустенита. Указанные особенности комплексов являются их недостатками. В настоящей статье Инженерный журнал: наука и инновации # 4·2021 1
Стр.1
А.М. Покровский, Е.И. Дубовицкий кинетика структурных превращений описывается по более точной методике, основанной на теории изокинетических реакций [6] с использованием информации, снятой с изотермических диаграмм (ИТД) превращений переохлажденного аустенита. Основа расчета на живучесть — это кинетическая диаграмма усталостного разрушения. Для описания этой диаграммы применяют формулы Пэриса [7], Формана [8] и Коллприста [9]. Наибольшее распространение получила формула Пэриса, удовлетворительно описывающая линейный в логарифмических координатах участок кривой. В [10] рассмотрена живучесть линейной части нефтепровода с продольной полуэллиптической трещиной. Нагруженность определяли с помощью метода статистического моделирования Монте-Карло, применяя исторические данные. Для определения живучести использовали модель накопления повреждений [11]. Показано, что для рассматриваемого нефтепровода трещина глубиной 4 мм в основном металле может расти в течение 50 лет до появления течи, а при глубине 6 мм — в течение 8 лет. Метод, предложенный в настоящей статье, позволяет оценить живучесть линейной части трубопровода, но, к сожалению, неприменим для зоны сварного соединения, так как при расчете не учтены остаточные сварочные напряжения и переменный структурный состав, влияющий на значение трещиностойкости. Цель настоящей статьи — разработать методику и программные средства для анализа живучести магистрального трубопровода в зоне сварного стыкового соединения с учетом остаточных сварочных напряжений. Постановка задачи. Известно, что наиболее опасными остаточными сварочными напряжениями в трубопроводах являются окружные напряжения [12]. Максимальные эксплуатационные напряжения в тонкостенных трубах от внутреннего давления также окружные [13]. В связи с этим в настоящей работе рассмотрены продольные трещины, причем плоскости этих трещин и действия окружных напряжений совпадают. Вначале определяют суммарные напряжения от эксплуатации и сварки. Следует отметить, что расчетное определение остаточных сварочных напряжений связано с некоторыми трудностями, так как процесс сварки характеризуется широким температурным диапазоном (от 20 до 2000 оС), в котором в стали происходят фазовые и структурные превращения, что существенно усложняет задачу вычисления остаточных напряжений. После сварки структурный состав стали по сечению трубы вблизи сварного шва изменяется, поэтому вязкость разрушения c ,IK входящая в критерий Ирвина [14], тоже не постоянна по сечению трубы. Этот факт необходимо учитывать в расчетах для адекватной оценки живучести трубопровода. 2 Инженерный журнал: наука и инновации # 4·2021
Стр.2
Анализ живучести магистрального нефтепровода в зоне стыкового… В настоящей статье проведен расчет сварочных остаточных напряжений при электродуговой сварке встык двух труб толщиной 21,7 мм и внутренним диаметром 1420 мм, выполненных из стали 10Г2ФБ. Ширина сварочной ванны принималась равной 20 мм, толщина — равной толщине трубы, начальная температура сварочной ванны 2000 оС, что является средней температурой нагрева при электродуговой сварке. В начальный момент остывания температура трубы вне зоны шва принималась равной 20 оС. Рассмотрим принцип расчета живучести трубопровода с полуэллиптической краевой продольной трещиной на внутренней поверхности трубы. На каждом цикле нагружения по аппроксимационным формулам вычисляется размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в точке, выходящей на поверхность, и в наиболее заглубленной точке. По формуле Пэриса вычисляется приращение длины и глубины трещины. При этом на каждом шаге проверяются два условия разрушения: 1) выполнение силового критерия Ирвина; 2) условие, при котором глубина трещины меньше толщины трубы. При использовании критерия Ирвина максимальный КИН сравнивается с вязкостью разрушения KI c , зависящей от структурного состава. Методика расчета остаточных сварочных напряжений. Моделирование формирования остаточных сварочных напряжений проводили численно с использованием шагового метод расчета. Для каждого шага по времени последовательно решали три задачи: 1) нелинейной нестационарной теплопроводности; 2) моделирования фазово-структурного состава; 3) вычисления напряжений. Для изотропного тела в случае переменных теплофизических коэффициентов нелинейная нестационарная осесимметричная задача теплопроводности описывается следующим дифференциальным уравнением [15]: TT T cr q ρλ 1         τ rr r z  λ      z   V , (1) где с — коэффициент теплоемкости; ρ — плотность; T(r, z, τ) — температура; τ — время;  — коэффициент теплопроводности; qV — мощность удельных источников энерговыделения. Для описания условий теплообмена использованы граничные условия третьего рода [15]: λτ τ ,    T hT T п n    сп Инженерный журнал: наука и инновации # 4·2021 3
Стр.3
А.М. Покровский, Е.И. Дубовицкий где n — нормаль к поверхности; h — суммарный коэффициент теплоотдачи, учитывающий теплообмен конвекцией и излучением; Tс — температура окружающей среды; Tп — температура поверхности. Время охлаждения трубы более чем в 50 раз превышает время проварки шва, поэтому можно принять, что в начальный момент времени температура шва постоянна и составляет 2000 оС, температура свариваемой трубы 20 оС. При решении уравнения (1) использовали: 1) метод конечных разностей, обладающий лучшей сходимостью по сравнению с методом конечных элементов (МКЭ); 2) метод суммарной аппроксимации, при котором на основании экономичной схемы расщепления вместо двумерного уравнения применяли метод прогонки для двух одномерных уравнений. Подробно описанный алгоритм расчета температурных полей в телах с прямоугольными границами методом конечных разностей изложен в [16]. Переход жидкой фазы в твердую в процессе кристаллизации при сварке моделировался с использованием диаграммы состояния сплавов железо — углерод [17]. Согласно этой диаграмме, при температуре выше температуры TL ликвидуса сплав находится в жидком состоянии, при охлаждении до этой температуры появляются первые кристаллы, при температуре TS солидуса металл полностью переходит в твердую фазу — аустенит. Удельная доля твердой фазы определялась исходя из условия V(TL) = 0, V(TS) = 1 по формуле правила отрезков [17]: LS V TT TT   , L (2) где T — текущая температура. Рассматриваемая трубная сталь 10Г2ФБ содержит 0,09 % углерода. По диаграмме состояния [17] для сплава с таким содержанием углерода TL = 1535 оС, TS = 1500 оС. Тепловыделение при кристаллизации сплава учитывалось включением в уравнение теплопроводности мощности. При решении задачи шаговым методом для каждого узла конечно-разностной сетки определялась мощность удельных источников энерговыделения на n-м шаге: qL V V кр   4 nn n n   , n n VV V  1. Инженерный журнал: наука и инновации # 4·2021
Стр.4
Анализ живучести магистрального нефтепровода в зоне стыкового… Здесь ρ — плотность сплава; крL — удельная теплота кристаллиза .n Значения удельной доли твердой фазы на n-м и (n – 1)-м шагах можно определить по формуле (2), подставляя в нее температуру n-го и (n – 1)-го шага соответственно. Значения удельной теплоты кристаллизации и превращений аустенита в феррито-перлит и бейнит принимались следующими [18]: Lкр = 250 кДж/кг, Lф-п = 66,7 кДж/кг; Lб = 56,3 кДж/кг и Lм = = 31,3 кДж/кг. Плотность сплава ρ = 7,8 · 103 кг/м3. Перейдем к моделированию структурообразования в процессе ции сплава; ∆Vn — изменение удельной доли твердой фазы на n-м шаге по времени сварки. Известно, что при нагреве выше температуры 740…760 оС происходит аустенизация стали [19]. При последующем охлаждении в зависимости от скорости охлаждения аустенит трубной стали 10Г2ФБ может превращаться в феррито-перлит, бейнит или мартенсит. Наилучшее согласование с экспериментом при сложных температурных режимах, характерных для сварки, достигается в случае прогнозирования структурных превращений по теории изокинетических реакций [6] с использованием изотермической диаграммы (ИТД) превращений переохлажденного аустенита. В расчете использовалась ИТД стали 10Г2ФБ, приведенная в работе [20]. Для описания изотермического распада аустенита в феррит и бейнит применяли уравнение Колмогорова — Аврами — Мейла [6]:  VK nф-п(б) ф-п(б) τ 1exp  ф-п(б) τ  , (3) где ф-п(б)V — удельная доля феррито-перлита (бейнита); K ф-п(б) , n ф-п(б) — зависящие от температуры эмпирические коэффициенты, определяемые по ИТД, соответственно для феррито-перлитной и бейнитной областей. Зная из ИТД стали для каждой температуры время τн начала и n ф-п(б) , зависящие от температуры, можно опредеnT 2,66 / lg ф-п(б) ;  ф-п(б)    KT nф-п(б) ф-п(б)   0,0100τ К Н . Согласно методу наименьших квадратов, в ИТД стали 10Г2ФБ для феррито-пелитной и бейнитной областей использовали следующие выражения соответственно: Инженерный журнал: наука и инновации # 4·2021 5 ф-п(б) и τк конца феррито-перлитного и бейнитного превращений, коэффициенты ф-п(б)K лить по формулам [18]
Стр.5

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически
.