Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах

Рассмотрены два случая возникновения температурных напряжений в трубе с нарушенной теплоизоляцией. Показано, что даже в трубе с толщиной стенки средней величины возникает объемное напряженное состояние с переменными во времени температурными напряжениями. Цикличность их изменения способствует пере...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Недосека, А.Я., Недосека, С.А., Бойчук, О.И., Кушниренко, С.А., Яременко, М.А., Федчун, А.Ю., Елкин, А.А., Ободовский, Б.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Schriftenreihe:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Schlagworte:	Техническая диагностика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103362
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах / А.Я. Недосека, С.А. Недосека, О.И. Бойчук, С.А. Кушниренко, М.А. Яременко, А.Ю. Федчун, А.А. Елкин, Б.М. Ободовский // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-103362
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1033622016-06-17T03:03:03Z Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах Недосека, А.Я. Недосека, С.А. Бойчук, О.И. Кушниренко, С.А. Яременко, М.А. Федчун, А.Ю. Елкин, А.А. Ободовский, Б.М. Техническая диагностика Рассмотрены два случая возникновения температурных напряжений в трубе с нарушенной теплоизоляцией. Показано, что даже в трубе с толщиной стенки средней величины возникает объемное напряженное состояние с переменными во времени температурными напряжениями. Цикличность их изменения способствует перемещению и росту внутренних дефектов в материале. The paper deals with two cases of development of temperature stresses in a pipe with damaged thermal insulation. It is shown that a bulk stressed state with temperature stresses variable in time develops even in a pipe with a medium wall thickness. The cyclic nature of their variation promotes displacement and growth of inner defects in the material. 2009 Article Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах / А.Я. Недосека, С.А. Недосека, О.И. Бойчук, С.А. Кушниренко, М.А. Яременко, А.Ю. Федчун, А.А. Елкин, Б.М. Ободовский // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103362 621.129.14 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Техническая диагностика Техническая диагностика
spellingShingle	Техническая диагностика Техническая диагностика Недосека, А.Я. Недосека, С.А. Бойчук, О.И. Кушниренко, С.А. Яременко, М.А. Федчун, А.Ю. Елкин, А.А. Ободовский, Б.М. Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Рассмотрены два случая возникновения температурных напряжений в трубе с нарушенной теплоизоляцией. Показано, что даже в трубе с толщиной стенки средней величины возникает объемное напряженное состояние с переменными во времени температурными напряжениями. Цикличность их изменения способствует перемещению и росту внутренних дефектов в материале.
format	Article
author	Недосека, А.Я. Недосека, С.А. Бойчук, О.И. Кушниренко, С.А. Яременко, М.А. Федчун, А.Ю. Елкин, А.А. Ободовский, Б.М.
author_facet	Недосека, А.Я. Недосека, С.А. Бойчук, О.И. Кушниренко, С.А. Яременко, М.А. Федчун, А.Ю. Елкин, А.А. Ободовский, Б.М.
author_sort	Недосека, А.Я.
title	Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах
title_short	Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах
title_full	Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах
title_fullStr	Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах
title_full_unstemmed	Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах
title_sort	особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Техническая диагностика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103362
citation_txt	Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах / А.Я. Недосека, С.А. Недосека, О.И. Бойчук, С.А. Кушниренко, М.А. Яременко, А.Ю. Федчун, А.А. Елкин, Б.М. Ободовский // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT nedosekaaâ osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah AT nedosekasa osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah AT bojčukoi osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah AT kušnirenkosa osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah AT âremenkoma osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah AT fedčunaû osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah AT elkinaa osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah AT obodovskijbm osobennostifunkcionirovaniâtehnologičeskihtruboprovodovprivysokihtemperaturah
first_indexed	2025-07-07T13:46:00Z
last_indexed	2025-07-07T13:46:00Z
_version_	1836996060040396800
fulltext	УДК 621.129.14 ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ А. Я. НЕДОСЕКА, С. А. НЕДОСЕКА, О. И. БОЙЧУК, С. А. КУШНИРЕНКО, М. А. ЯРЕМЕНКО, А. Ю. ФЕДЧУН, А. А. ЕЛКИН, Б. М. ОБОДОВСКИЙ Рассмотрены два случая возникновения температурных напряжений в трубе с нарушенной теплоизоляцией. Показано, что даже в трубе с толщиной стенки средней величины возникает объемное напряженное состояние с переменными во времени температурными напряжениями. Цикличность их изменения способствует перемещению и росту внутренних дефектов в материале. The paper deals with two cases of development of temperature stresses in a pipe with damaged thermal insulation. It is shown that a bulk stressed state with temperature stresses variable in time develops even in a pipe with a medium wall thickness. The cyclic nature of their variation promotes displacement and growth of inner defects in the material. Технологические трубопроводы, работающие при высоких (до 500 °С) температурах, рассчитывают- ся на длительную прочность и ползучесть с учетом действующего напряженного состояния, вызван- ного внутренним давлением рабочего вещества. При этом предполагают, что температурный ре- жим стабилен и обеспечивается специальными конструкционными решениями, включая качест- венную наружную изоляцию трубы. Однако с те- чением времени изоляционное покрытие труб мо- жет быть нарушено и наружная стенка трубы будет подвержена действию нестационарного воздушно- го потока, степень воздействия которого будет за- висеть от места расположения трубопровода и ин- тенсивности движения воздушных потоков в месте нарушения целостности тепловой изоляции (рис. 1). Если учесть, что материал труб находится также в условиях протекающих общих коррозион- ных процессов, газовой коррозии, действие кото- рых усиливается переменными напряжениями, становится ясно, что вопросы минимизации нап- ряженного состояния материалов труб достаточно актуальны. В данной статье показано, как влияет наруше- ние изоляции трубопроводов на возникновение в трубе дополнительных напряжений, снижающих эксплуатационные возможности трубы. При на- рушении в процессе эксплуатации термоизоляции появляется дополнительный теплоотвод с повер- хности трубы в месте нарушения изоляции и воз- никает, как следствие, переменное по толщине трубы температурное поле, появляются дополни- тельные, иногда значительные, температурные напряжения. Возникшие напряжения складывают- ся с напряжениями действующими от внешней нагрузки и могут привести к нарушению режима работы трубы и связанного с ней оборудования. Для оценки влияния нарушения теплоизоляции на температурное поле технологических трубоп- роводов были проведены специальные экспери- менты на реальных конструкциях, где в отдель- ных местах была специально нарушена конструк- ция изоляционного покрытия. Эксперименты по- казали, что температура на наружной поверхности изоляционного покрытия ощутимо повышается в зависимости от степени его нарушения. На рис. 2 в правой части показана шкала прибора, настроен- ная в данном случае в диапазоне от 46 до 237 °С. Выше шкалы приведена температура изоляции трубы 60,9 и 121 °С (крестики с цифрой 1) в выб- ранном оператором месте. Так, при температуре внутренней стенки трубы 475 °С температура на © А. Я. Недосека, С. А. Недосека, О. И. Бойчук, С. А. Кушниренко, М. А. Яременко, А. Ю. Федчун, А. Я. Елкин, Б, М. Ободовский, 2009 Рис. 1. Поперечное сечение цилиндрического технологичес- кого трубопровода с теплоизоляцией (ось z направлена пер- пендикулярно плоскости чертежа) ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2009 5 наружной поверхности изоляции может достигать величины от 60 до 120 °С. Таким образом, тем- пература наружной стенки трубы при нарушении теплоизоляции становится ниже температуры ее внутренней стенки, что, как было сказано выше, приводит к искажению температурного поля в трубе и, как следствие, к появлению температур- ных напряжений. Учитывая сложность измерения температуры наружной стенки трубы без нарушения теплои- золяционного слоя, распределение температуры в ней изучали путем аналитического моделирова- ния с учетом проделанных экспериментальных из- мерений. При этом сток тепла с наружной повер- хности трубы задавался либо на основании дан- ных эксперимента по коэффициенту теплоотдачи для подобных условий, либо путем введения фун- кции стока тепла, близкого по своему действию к данным проведенных экспериментов. Рассмотрим цилиндрическую протяженную трубу (рис. 1) из стали А335-Р11 с пределом проч- ности 413 МПа, пределом текучести 207 МПа, со- держащей до 1,25 % хрома и 0,5 % молибдена, вырезанную из трубопровода перегретого пара, находящийся под воздействием неравномерного температурного поля. Эту задачу теплопровод- ности можно разбить на две части — первая часть представляет случай, когда теплоотводящие по- токи незначительно изменяются во времени и тем- пературное поле успевает приобрести стационар- ный характер. Вторая — случай, когда потоки теплоотвода меняются достаточно интенсивно и процесс становится нестационарным. Рассмотрим вначале более простой случай, когда труба нахо- дится под воздействием плоского осесим- метричного температурного воздействия. Темпе- ратурное поле θп в этом случае может быть рас- считано с использованием дифференциального уравнения стационарной температурной задачи в полярных координатах: ∂2θ ∂r2 + 1r ∂θ ∂r = 0, θ = θ0 ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ 1 – α λ r2 ln (r ⁄ r1) 1 + α λ r2 ln (r2 ⁄ r1) ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ , θ = θ0[1 + k ln (r ⁄ r1)], (1) при граничных услових: λ ∂θ ∂r = αθ при r =r2, θ = θ0 при r = r1, где k = αr2 λ 1 1 + αr2 λ ln (r2 ⁄ r1) ; θ — текущее значе- ние температуры в стенке элемента трубы, K; α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2⋅К); λ — коэф- фициент теплопроводности, Вт/(м⋅оС); θ0 — тем- пература внутренней стенки трубы (рабочего ве- щества), °С (K); r1, r2 — внутренний и наружный радиусы трубы, см (м). Значения коэффициентов теплоотдачи α для труб без теплоизоляции при различных условиях отвода тепла с наружной поверхности приведены ниже [6, 10], Вт/(м2⋅К): неподвижный воздух — 12,6…21; незначительное перемещение воздуха — 42; сильное порывистое движение воздуха — 210. С учетом значений коэффициентов теплоотда- чи построены графики распределения температу- ры по толщине стенки элемента трубы (рис. 3, 4). Из графиков видно, что штатная ненарушенная изо- ляция трубы и изоляция с незначительным пропус- канием тепла наружу α = 2,1 Вт/(м2⋅К) обеспечи- вают практически равномерную температуру по толщине стенки трубы. Незначительные потери тепла приводят к изменению температуры на на- ружной стенке трубы приблизительно на 20 °С. Увеличение интенсивности теплоотвода за счет существенного нарушения изоляции приводит к большему понижению температуры на наружной стенке трубы (оголенная труба и наличие охлаж- дения разной интенсивности). При этом температура Рис. 2. Типичное в инфракрасном свете распределение тем- пературы в элементах трубопроводов с нарушенной тепло- изоляцией 6 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2009 наружной стенки трубы может понизиться до 140 °С (интенсивный теплоотвод с α = 210 Вт/(м2⋅К)). Ниже будет показано, что такое глубо- кое понижение температуры приводит к появле- нию больших температурных напряжений. Рассмотрим влияние нарушения теплоизо- ляции трубы на величину возникающих в ней тем- пературных напряжений. Температурные напря- жения в трубе в этом случае могут быть рассчи- таны, исходя из следующего дифференциального уравнения [10]: ∂2ϕ ∂r2 + 1r ∂ϕ ∂r – ϕ r2 = – αтE ∂θ ∂r . (2) Решая уравнение (2), переходим к следующим общим формулам: σr = – E r2 (∫(αтθ)rdr) + C1 2 + C2 r2 , σθ = E⎛ ⎜ ⎝ –(αтθ) + 1 r2 ∫(αтθ)rdr⎞ ⎟ ⎠ + C1 2 – C2 r2 . (3) После подстановки значений постоянных C1, C2 и стационарного температурного поля (1) по- лучим: σr = αтEθ0k 2 ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ ln ( r r1 ) – ln ( r2 r1 ) r2 2 r2 r2 – r1 2 r2 2 – r1 2 ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ , (4) σθ = αтEθ0k 2 ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ 1 + ln ( r r1 ) – ln ( r2 r1 ) r2 2 r2 r2 – r1 2 r2 2 – r1 2 ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ . (5) Графики температурных окружных напряже- ний, рассчитанные по формулам (4) и (5) для тру- бы диаметром 508 мм с толщиной стенки 38,1 мм, при различных условиях отвода тепла приведены на рис. 3. Учитывая, что труба имеет большие размеры вдоль оси z, и ее деформация в этом направлении εz + αθ должна быть равна нулю, появится сос- тавляющая напряжений σz, равная v(σr + σθ). На рис. 5 напряжения σz для α = 210 Вт/(м2⋅К) по- казаны пунктиром. Показанные на графиках напряжения и темпе- ратуры представляют, как было сказано, стацио- нарный вариант теплоотвода, когда было доста- точно времени, чтобы в результате изменения ус- ловий теплоотвода температурный режим в трубе приобрел стационарный характер на новом уров- не. Для исследования влияния нестационарного процесса изменения температуры на характер рас- пределения напряжений в трубе необходимо рас- смотреть более общий случай, когда температура зависит не только от координаты r, но и от вре- мени t. Дифференциальное уравнение в этом слу- чае принимает вид [10]: ∂2θ ∂r2 + 1r ∂θ ∂r – 1a ∂θ ∂t = Q 2πλrb δ+(r – r3)δ +(t), (6) где Q — энергия стока тепла с наружной повер- хности стенки трубы в окружающую среду, Дж (кал); а = λ/сρ — коэффициент температуроп- роводности, м2/с (см2/с); с — удельная теплоем- кость, Дж/(кг⋅К) (кал/г °С); ρ — плотность ма- териала, т/м3 (г/см3); b — ширина вырезанного кольца, принятая равной 1 см; r3 — фиктивный радиус окружности, где приложен интенсивный сток тепла, который определяется из первого граничного условия на боковых поверхностях трубы: ∂θ ⁄ ∂r = αθ при r = r2; θ = 0 при r = r1; начальные условия: θ = 0 при t = 0. Решаем уравнение (6) методом интегральных преобразований, предполагая, что отвод тепла осуществляется с диска бесконечных размеров на окружности радиуса r3. Возвращение к трубе ко- нечных размеров осуществим граничными усло- виями для радиальных напряжений (σr = 0 на гра- нице r1 и r2, см. рис. 1). Выражение для расчета температуры θ после прямых и обратных преоб- разований Лапласа и Ханкеля примет вид: θ = – Qa 2πλ ∫ 0 ∞ αJ0(αr)J0(αr3) exp (–α2at)dα, (7) где J0 — функции Бесселя первого рода нулевого порядка от действительного аргумента; α — па- раметр преобразования Ханкеля. Решая интеграл (7), получаем: θ = – Q 4πλbt exp ⎛ ⎜ ⎝ – r2 + r3 2 4at ⎞ ⎟ ⎠ I0 ⎛ ⎜ ⎝ rr3 2at ⎞ ⎟ ⎠ , (8) где I0 — функция Бесселя первого рода нулевого порядка от мнимого аргумента. Температуры, рассчитанные по этой формуле, приведены на графиках рис. 6 (при расчете Рис. 3. Распределение температуры в стенке трубы 508 38,1 мм при различных условиях теплоотвода, Вт/(м2⋅К): 1 — 2,1; 2 — 21; 3 — 210 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2009 7 энергии стока тепла с наружной поверхности тру- бы коэффициент теплоотдачи принимался равным α = 104 Вт/(м2⋅К). Тогда Q = 4399,3 Дж, где t0 — время действия стока тепла, принятое равным 1 с; b = 10–2 м. Для хромоникелевых сталей а = = 4⋅10–6 м2/с; λ = 21,0 Вт/(м⋅К); αт = 11⋅10–6 1/К; E = 2⋅105 МПа). Как видно из графиков, распре- деление температуры в трубе существенно зави- сит от времени, прошедшего с момента прекра- щения действия мгновенного стока тепла. В пер- вые моменты времени распределение температу- ры по толщине стенки трубы имеет большой гра- диент. В следующие моменты крутизна распре- деления становится меньше, графики более поло- гие. Наложение кривых распределения темпера- туры, показанных на графиках рис. 4, на графики рис. 3 даст распределение температур в общем случае действия обеих стоков — стационарного и переменного во времени. Воспользуемся, как и ранее, выражениями (3) и (6) для расчета напряженного состояния в трубе в случае действия порывов ветра, дождя и снега на ее оголенную наружную поверхность. Опре- делив произвольные постоянные C1 и C2 в выра- жениях (3) из условий равенства нулю напряже- ний σr на внутренней и наружной стенках трубы, получим следующие значения постоянных и фор- мулы для расчета напряжений σr и σθ: C2 = – αтEr1 2 r2 2 – r1 2 ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ ∫ r2 θrdr – r2 2 r1 2 ∫ r1 θrdr ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ , C1 2 = αтE r1 2 [ ⎛ ⎜ ⎝∫ r1 θrdr ⎞ ⎟ ⎠ + r1 2 r2 2 – r1 2 ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ ∫ r2 θrdr – r2 2 r1 2 ∫ r1 θrdr ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ ]. (9) После несложных преобразований и оценки входящих в формулы членов получим выражения для σθ и σr: ∫ r, r1, r2 θrdr = ∫ r, r1, r2 ∫ 0 ∞ r exp (– α2at)J1(αr)J0(αr3)dαdr, (10) σθ = – αтEQa 2πλb [– exp ⎛ ⎜ ⎝ rr3 2at – r2 + r3 2 4at ⎞ ⎟ ⎠ 2at √⎯⎯⎯π rr3 at + 1 r2 ∫ r θrdr + + 1 r2 ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ r2 + r1 2 r2 2 – r1 2 ⎛ ⎜ ⎝∫ r2 θrdr – r2 2 r1 2 ∫ r1 θrdr ⎞ ⎟ ⎠ + r 2 r1 2 ∫ r1 θrdr ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ ], (11) σr = αтEQa 2πλbr2 [ – ∫θ r rdr + + ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ r2 – r1 2 r2 2 – r1 2 ∫ r2 θrdr + ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ r2 r1 2 – r2 2 r1 2 r2 – r1 2 r2 2 – r1 2 ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ ∫ r1 θrdr ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ , (12) Рис. 4. Влияние интенсивности теплоотвода на температуру наружной стенки труб двух диаметров, мм: 1 — 273 21,4; 2 — 508 38,1 Рис. 5. Распределение температуры и окружных темпера- турных напряжений в стенке трубы 508 38,1 мм без изоляции при различных условиях теплоотвода, Вт/(м2⋅К): I — α = 21; II — α = 210 (кривые 2, 3 — соответственно температура при условиях I, II; 4, 6 — соответственно напряжения при условиях I, II; 1, 5 — соответственно напряжения от внутреннего давления и вдоль оси z при условии II) Рис. 6. Понижение температуры стенки трубы 508 38,1 мм, вызванное мгновенным интенсивным (104 Вт/(м2⋅К)) стоком тепла с ее наружной поверхности спустя 1...180 с с момента прекращения действия стока, с: 1 — 1; 2 — 5; 3 — 15; 4 — 180 8 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2009 где r, r1 и r2 — значения параметра r в подын- тегральной функции правой части формулы (10) (учитываются в выражениях (11, 12) в зависимости от символов над интегралами). Формулы (11, 12) для σθ и σr достаточно просто реализуются на пер- сональном компьютере. Температурные напряжения всецело зависят от градиента кривых распределения температуры. Так, на рис. 7 показано распределение напряже- ний по толщине стенки трубы для четырех мо- ментов времени — от 1 до 180 с с момента прек- ращения действия мгновенного стока тепла. Вид- но, что градиент изменения температуры с изме- нением радиуса трубы с увеличением времени становится все меньше. Следует также отметить, что, несмотря на сравнительно небольшую тол- щину стенки трубы в ней возникает объемное нап- ряженное состояние с напряжениями σz, состав- ляющими 1/3 по сравнению с окружными σθ и напряжениями σr, незначительными по своей ве- личине. Малые величины радиальных напряже- ний объясняются сравнительно небольшой тол- щиной стенки трубы. Окружные напряжения со- измеримы с напряжениями в стационарном режи- ме и могут достигать существенной для влияния на несущую способность трубы величины. Следует отметить, что определенный вес в оценке работоспособности материала трубы при- обретает динамика изменения напряжений, воз- никающих при переменном температурном поле. Практически мы имеем дело с усталостью мате- риала, где цикличность напряжений в трубах с поврежденной теплоизоляцией обеспечивается наличием переменного теплоотвода за счет дви- жения воздушных потоков различной интенсив- ности, дождя, снега и др. Как и в случае суммар- ного действия двух факторов — стационарного и переменного во времени стоков тепла с наруж- ной поверхности трубы, общая картина напряжен- ного состояния стенки трубы может быть опре- делена наложением полей напряжений, показан- ных на рис. 5 на напряжения рис. 7. В случае местного стока тепла с поверхности трубы в радиусе а0 главные значения напряже- ний σr могут быть рассчитаны по формулам [11]: σт = 2αтqa0E λδr ∑ n = 1 ∞ ∫ 0 ∞ An(z)An(z0)J1(αa0)J1(αr) α(α2 + γn 2) dα, σθ = 2αтqa0E λδ ∑ n = 1 ∞ An(z)An(z0) Bn × × ∫ 0 ∞ J1(αa0) (α2 + γn 2) ⎡ ⎣ J0(αr) – J1(αr) αr ⎤ ⎦ dα, An(z) = δ[γn cos (γnz) + α1 λ sin (γnz)], Bn = (γnδ)2 + ( α1 λ δ)2 + (γnδ)2 – ( α1 λ δ)2 γnδ sin (γnδ) cos (γnδ) + + 2 α1 λ δ sin2 (γnδ) ctg (γnδ) = λγn α1 , где α1 — теплоотдача с наружной поверхности трубы в месте стока тепла, Вт/(м2⋅К); q — мощ- ность стока тепла, Вт/м2. Рис. 7. Окружные напряжения в трубе 508 38,1 мм с пов- режденной теплоизоляцией в диапазоне температур от 1 до 180 с после мгновенного приложения интенсивного (10 Вт/(м2⋅К)) стока тепла, с: 1 — 1; 2 — 5; 3 — 15; 4 — 180 Рис. 8. Радиальные (1) и тангенциальные (2) напряжения на наружной поверхности трубы 508 38,1 мм при стационарном отводе тепла из круга радиусом а0 наружной поверхности ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2009 9 Графики распределения окружных напряжений на наружной поверхности трубы представлены на рис. 8. Расчеты выполнены для q = 4,2⋅104 Вт/м2; а0 = 0,05 м; λ = 21 Вт/(м⋅К); αт = 11⋅10–6 1/K; E = 2⋅105 МПа; δ = 0,0381м. Выводы 1. Нарушение изоляции в процессе эксплуатации технологических трубопроводов, работающих при высоких температурах, приводит к появлению су- щественных, дополнительных к рабочим, темпе- ратурных напряжений, что интенсифицирует про- цессы накопления повреждений в материале труб и может привести к преждевременному выходу из строя трубопровода за счет возникновения и развития внутренних дефектов в материале и по- явлению сетки трещин. 2. Мгновенные температурные напряжения, связанные с переменностью во времени темпера- турного поля трубы, по абсолютной величине со- измеримы с напряжениями, возникающими при стационарном случае распределения тепла. Одна- ко опасность их больше и связана с большим вли- янием на процессы накопления усталостных пов- реждений. Отрицательное влияние переменных напряжений проявляется с течением времени, ког- да ударная вязкость материала трубы будет по- нижена до критического уровня за счет накопив- шихся повреждений. 3. Во избежание потери работоспособности ма- териалов труб необходим тщательный контроль состояния их тепловой изоляции. 4. Проведенные исследования обосновывают целесообразность непрерывного мониторинга участков труб и оборудования, работающих в сложных температурных условиях. 1. Алешин Н. П. Оценка остаточного ресурса сварных конс- трукций // Сварка и Диагностика. — 2007. — № 2. — С. 4–10. 2. Анализ причин аварийности // Газовая промышленность. — 1989. — № 10. — С. 2–5. 3. Бабаев А. В. Влияние остаточных напряжений на зарож- дение и скорость развития усталостных трещин в свар- ных соединениях с непроварами // Автомат. сварка. — 1977. — № 12. — С. 30–32. 4. Березина Т. Г., Бугай Н. В., Трунин И. И. Диагностирова- ние и прогнозирование долговечности металла тепло- энергетических установок. — Киев: Техника, 1991. — 120 с. 5. Варовин А. Я., Карзов Ю. Я., Марголин Б. З. Проблемы прогнозирования работоспособности конструкций по данным НК // В мире неразруш. контроля. — 2006. — 4(34).— С. 6–11. 6. Вильям Х. Мак-Адамс. Теплопередача. — Киев: Метал- лургиздат, 1961. — 385 с. 7. Акустико-эмиссионный контроль разрушения двухсек- ционного компенсатора в условиях малоцикловой уста- лости / В. А. Кобзев, С. А. Белов, М. А. Оразова, Д. Г. Ряузов // Техн. диагностика и неразруш. контроль. — 2007. — № 2. — С. 51–56. 8. Оценка состояния металла труб после длительной экс- плуатации в системе магистральных газопроводов / А. А. Лебедев, С. А. Недосека, Н. Р. Музыка, Н. Л. Волчек // Там же. — 2003. — № 2. — С. 3–8. 9. Лебедев А. А., Чаусов Н. Г. Экспресс-метод оценки тре- щиностойкости пластичных материалов / АН УССР, Ин-т пробл. прочности, препринт. — Киев, 1988. — 43 с. 10. Недосека А. Я. Основы расчета и диагностики сварных конструкций / Под ред. Б. Е. Патона. — Киев: Индпром, 2008. — 815 с. 11. Недосека С. А. Прогноз разрушения по данным акусти- ческой эмиссии // Техн. диагностика и неразруш. конт- роль. — 2007. — № 2. — С. 3–9. 12. Оbodovsky B., Fedchun A., Prof. Nedoseka. Application of a Permanent Acoustic Emission Monitoring System on Four Am- monia Storage Tanks // Ammonia Technical Manual. — 2006. — P. 23–32 (доклад на 51 Конференции американских ин- женеров-химиков по безопасности в аммиачном и связан- ном с ним производствах. — Ванкувер 11–14 сент.). 13. Панасюк В. В. О современных проблемах механики раз- рушения // Физ.-хим. механика материалов. — 1982. — № 2. — С. 7–27. 14. Патон Б. Е., Недосека А. Я. Диагностика и прогнозиро- вание остаточного ресурса сварных конструкций (состо- яние вопроса и перспективы развития) // Техн. диагнос- тика и неразруш. контроль. — 1992. — № 1. — С. 3–15. 15. Стрижало В. А., Гришко А. П., Стрельченко В. А. Диаг- ностика повреждений и прогнозирования предельного состояния конструкций методом акустической эмиссии // Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций. — 1986. — № 3. — С. 54–59. 16. Влияние предварительного циклического нагружения на процесс разрушения образцов из мартенситностареющей стали при статическом растяжении / Н. Г. Чаусов, А. А. Лебедев, И. О. Богинич и др. // Техн. диагностика и не- разруш. контроль. — 1996. — № 3. — С. 32–39. 17. Чаусов Н. Г., Недосека С. А., Пилипенко А. П. Комплекс- ная оценка поврежденности пластичных материалов при различных режимах нагружения // Там же. — 2004. — № 3. — С. 16–21. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Поступила в редакцию 27.10.2008 10 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2009

Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах

Institution

Ähnliche Einträge