Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей
Після закінчення нормативного терміну служби багато з відповідальних зварних конструкцій продовжують свою роботу, в зв’язку з чим виникає необхідність продовження їх експлуатації в безпечному режимі. Найбільш вразливим місцем з точки зору виникнення і поширення тріщиноподібних дефектів в елементах о...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167573 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей / І.І. Перепічай, А.О. Перепічай, В.В. Мутас, М.Д. Рабкіна // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2018. — № 2. — С. 63-68. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860043541438267392 |
|---|---|
| author | Перепічай, І.І. Перепічай, А.О. Мутас, В.В. Рабкіна М.Д. |
| author_facet | Перепічай, І.І. Перепічай, А.О. Мутас, В.В. Рабкіна М.Д. |
| citation_txt | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей / І.І. Перепічай, А.О. Перепічай, В.В. Мутас, М.Д. Рабкіна // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2018. — № 2. — С. 63-68. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| description | Після закінчення нормативного терміну служби багато з відповідальних зварних конструкцій продовжують свою роботу, в зв’язку з чим виникає необхідність продовження їх експлуатації в безпечному режимі. Найбільш вразливим місцем з точки зору виникнення і поширення тріщиноподібних дефектів в елементах обладнання з біметалу є ділянка переходу від корозійностійкої до теплостійкої сталі. Оскільки емпіричні розрахунки, особливо в разі біметалу, не завжди здійсненні, виникає необхідність моделювання напружено-деформованого стану конструкції, що дає можливість спрогнозувати подальше зростання дефекту заданих розмірів при відомих робочих параметрах конструкції.
После окончания нормативного срока службы многие из ответственных сварных конструкций продолжают свою работу, в связи с чем возникает необходимость продления их эксплуатации в безопасном режиме. Наиболее уязвимым местом с точки зрения возникновения и распространения трещиноподобных дефектов в элементах оборудования из биметалла является участок перехода от коррозионностойкой к теплостойкой стали. Поскольку эмпирические расчеты, особенно в случае биметалла, не всегда осуществимы, возникает необходимость моделирования напряженно-деформированного состояния конструкции, что дает возможность спрогнозировать дальнейший рост дефекта заданных размеров при известных рабочих параметрах конструкции.
After the normative service life is over, many critical welded structures remain in service that necessitates the need to continue their safe operation. The most sensitive location from the view point of initiation and propagation of cracklike defects in bimetal elements of equipment is the area of transition from corrosionresistant to heat-resistant steel. As empirical calculations, particularly in the case of a bimetal, cannot always be performed, there arises the need to model the stress-strain state of the structure, that enables prediction of further growth of the defect of specified dimensions with the known working parameters of the structure.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:57:09Z |
| format | Article |
| fulltext |
63ISSN 0235-3474. Техн. диагностика и неразруш. контроль, 2018, №2
пРОИЗвОДСТвЕННыЙ РАЗДЕЛ
УДК 620.191.33 DOI: http://dx.doi.org/10.15407/tdnk2018.02.09
МоДелЮвання МоЖливості РозвитКУ
тРіщинопоДібних ДеФеКтів У посУДинах тисКУ
з ДвоШаРових сталей
і. і. перепічай, а. о. перепічай, в. в. муТаС, м. Д. рабкіна
іез ім. Є. о. патона нан України. 03150, м. Київ, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
після закінчення нормативного терміну служби багато з відповідальних зварних конструкцій продовжують свою роботу,
в зв’язку з чим виникає необхідність продовження їх експлуатації в безпечному режимі. найбільш вразливим місцем з
точки зору виникнення і поширення тріщиноподібних дефектів в елементах обладнання з біметалу є ділянка переходу
від корозійностійкої до теплостійкої сталі. оскільки емпіричні розрахунки, особливо в разі біметалу, не завжди здійснен-
ні, виникає необхідність моделювання напружено-деформованого стану конструкції, що дає можливість спрогнозувати
подальше зростання дефекту заданих розмірів при відомих робочих параметрах конструкції. бібліогр.10, табл. 2, рис. 6.
К л ю ч о в і с л о в а : тріщиноподібні дефекти, моделювання напружено-деформованого стану, коефіцієнт інтенсив-
ності напружень, двошарові сталі
нормативний термін експлуатації багатьох
зварних посудин тиску у нафтопереробній галу-
зі добігає кінця. але тим не менше значна части-
на з них залишається в дії у зв’язку з чим викає
необхідність безпечного продовження їх експлу-
атації. при цьому постає проблема визначення
довговічності конструкцій, що можливо лише на
основі прийнятих нормативних підходів, які пе-
редбачають неперервний моніторинг з викорис-
танням сучасних засобів технічної діагностики.
аналіз результатів регламентованих обстежень
свідчить про те, що під час експлуатації техно-
логічного устаткування, виготовленого з низько-
вуглецевих і низьколегованих сталей, може з’яв-
лятися граничний стан, пов’язаний з утворенням
місцевих об’ємних дефектів, наявність яких не
завжди призводить до необхідності припинення
функціонування об’єкта і зняття його з експлу-
атації [1–7]. проте існує ряд дефектів таких, як
шарувате розтріскування внаслідок концентрації
водню в обмеженому замкнутому об’ємі стінки
об’єкта, яке може призвести до відмов конструк-
ції при певних робочих параметрах [4–6]. об’єд-
нання відокремлених несуцільностей в шари в по-
єднанні з наявністю об’ємних дефектів свідчить
про те, що суттєву роль в корозійних процесах ві-
діграє структура металу [3]. так, інтенсивне коро-
дування у вигляді виразкової та щільової корозії
розвивається пошарово у зв’язку з яскраво вира-
женою структурною текстурою, що вказує на сут-
тєву роль корозійної анізотропії металу. при цьо-
му найбільш уразливими ділянками є різні зони
зварного з’єднання, в першу чергу, лінія сплав-
лення, а також елементи обладнання з двошаро-
вої сталі – біметалу, зокрема ділянка переходу від
корозійностійкої до теплостійкої сталі. Розтріску-
вання корозійностійкого шару в процесі експлуа-
тації може спровокувати втрату герметичності по-
судини тиску, підтікання продукту під плакуючий
шар, що в подальшому може призвести до втрати
герметичності конструкції. при цьому наявність
біметалевої структури робить неможливими емпі-
ричні прогнози властивостей матеріалів [6, 7]. за
таких обставин виникає необхідність моделюван-
ня технічного стану конструкції, що дає можли-
вість спрогнозувати подальший ріст дефекту зада-
них розмірів при відомих робочих параметрах.
аналіз умов виникнення дефектів у плаку-
ючому шарі стінок посудин тиску. слід підкрес-
лити, що корпуси відповідального обладнання,
яке використовуюється в нафтопереробній про-
мисловості, зокрема реакторів, колон, теплооб-
мінників і т. і., виготовляють або цілком з високо-
легованих сталей, або, як зазначалось, з біметалу,
де несучий шар зазвичай хромомолібденова сталь
(типу 15хМ), а плакуючий (захисний) – нержаві-
юча сталь (типу 08х18н10т). основною перева-
гою, коли корпус і денця виготовляють з двошаро-
вої сталі, є те, що відпадає необхідність в захисній
футеровці. однак підвищена небезпека роботи
обладнання в процесах переробки нафти полягає
в тому, що в результаті тривалого впливу водню
при підвищених температурах і тисках на стін-
ки корпусу може статися його проникнення через
плакуючий шар в основний, що несе загрозу зне-
вуглецювання, зниження пластичності і тривалої
міцності біметалу.
Для детального дослідження умов виникнен-
ня дефектів та прогнозування подальшого про-
ростання тріщини в основний метал в посудинах,
© і. і. перепічай, а. о. перепічай, в. в. Мутас, М. Д. Рабкіна, 2018
64 ISSN 0235-3474. Техн. диагностика и неразруш. контроль, 2018, №2
пРОИЗвОДСТвЕННыЙ РАЗДЕЛ
що працюють під тиском, було обрано фрагмент
хімічного реактора об’ємом понад 40 м3, який пе-
ребував в постійній експлуатації більше 35 років
за робочого тиску близько 3,0 Мпа і температу-
ри дещо вище 400 ос. Робоче середовище – вод-
невовмісний газ (близько 70 % водню і до 0,01 %
сірководню). Корпус посудини виконано з двоша-
рової сталі – теплостійкої 15хМ (несучий шар) і
корозійностійкої 08х18н10т (плакуючий шар).
товщина стінки посудини складає біля 50 мм. за
допомогою візуально-оптичного способу, а та-
кож капілярної дефектоскопії з внутрішньої сто-
рони посудини було виявлено: протяжні тріщини
по краях зварних з’єднань; сітка тріщин; одинич-
ні пори і скупчення пор. виникнення подібних
дефектів – є результат тривалого впливу водню
при підвищених температурах і тиску в корпусі,
в зв’язку з чим може відбутися його проникнення
через плакуючий шар в основний. До речі водне-
ва корозія не виявляється при звичайному візуаль-
ному огляді. Для її виявлення необхідна виріз-
ка з апаратів зразків з подальшим дослідженням
структури і механічних властивостей металу. про-
никаючи в сталь, водень викликає її зневуглецю-
вання, зниження пластичності і тривалої міцності.
інтенсивність водневої корозії залежить від скла-
ду сталі, температури і парціального тиску водню.
згідно з вимогами нормативного документа
[8] з боку внутрішньої поверхні з верхньої і ниж-
ньої частини посудини було вирізано ненаскрізні
темплети, які мали форму конуса висотою 10 мм з
діаметром основи 15 мм. при первинному огляді
шліфів виявлено, що поверхня основи конуса ура-
жена павутиноподібною сіткою тріщин.
Дослідження структури металу в непошкод-
женій і пошкодженій частинах посудини. Для
подальшого вивчення мікроструктури оболонки
посудини конічний зразок було розрізано перпен-
дикулярно до основи. як довели дослідження пе-
рерізу товщини стінки, у місцях, не уражених ко-
розією, структура металу являє собою «листковий
пиріг», що складається з трьох шарів: плакуючо-
го, перехідного і несучого (рис. 1).
плакуючому шару притаманна типова для нер-
жавіючих сталей аустенітна структура з гЦК-ре-
шіткою (верхня частина рис. 1, а). Крім того, у
всьому обсязі аустенітних зерен мають місце чис-
ленні нітриди (рис. 2, а), які розташовані як у тілі
зерна, так і по межах аустенітних зерен. при цьо-
му, як показав мікрорентгеноспектральний аналіз
(МРа), вміст титану в нітриді, що на межах зерен,
в два рази перевищує його вміст в нітриді, що в
тілі зерна. Мікротвердість HV цього шару складає
221, а поблизу перехідного шару досягає величи-
ни 245. в деяких місцях спостерігається наявність
тріщин, переважно міжкристалічного походження
(рис. 2, б, в). на границях, де пройшла міжкриста-
лічна корозія, спостерігається підвищений вміст
хрому і, особливо, сірки (в 40...50 разів), та зни-
жений вміст нікелю (табл. 1).
Для несучого шару характерна типова ферит-
но-перлітна структура хромомолібденової сталі з
оЦК-решіткою, у якій не виявлено будь-яких по-
шкоджень (нижня частина рис. 1, а). Мікротвер-
дість HV цього шару становить величину порядку
128...170.
У вузькій смужці перехідного шару сегрегація
домішок по межах аустенітних зерен з боку пла-
куючого шару виражена більшою мірою, ніж з
боку несучого шару з феритно-перлітною струк-
турою (рис. 1, а). також спостерігаються сліди
дрібних тріщин і пор, які чітко виявляються в
Рис. 1. структура металу плакуючого шару «листковий пиріг»: з оптичного мікроскопу – а; в оЖс – б
Рис. 2. МКК в плакуючому шарі: нітриди (а) та загальний вигляд дефекту (б), одержані за допомогою оЖс: зображення де-
фекту через оптичний мікроскоп (в)
65ISSN 0235-3474. Техн. диагностика и неразруш. контроль, 2018, №2
пРОИЗвОДСТвЕННыЙ РАЗДЕЛ
оже-електронному спектрі (оЖс) (рис. 1, б). У
перехідному шарі мікротвердість HV становить
201...206, а в області нітридів – 227...243.
з точки зору стійкості металу по відношенню
до водневовмісного середовища особливого зна-
чення набуває вуглець, пов’язаний в карбіди. при
цьому до визначальних факторів, слід віднести:
стехіометричний склад, морфологію і розподіл
карбідних частинок. з іншого боку на схильність
до карбідоутворення істотно впливає легування
нержавіючих сталей. як відомо, ванадій, воль-
фрам, молібден, марганець і ніобій знижують ак-
тивність вуглецю, запобігаючи можливості виник-
нення міжкристалічної корозії (МКК). Кремній,
кобальт, і нікель – навпаки, збільшують актив-
ність атомів вуглецю, посилюючи МКК.
Карбіди зазвичай концентруються біля границь
зерен, утворюючи суцільний ланцюжок. так, в ко-
розійностійких сталях показником схильності до
міжкристалічної корозії служить наявність на гра-
ницях зерен складних карбідів типу Ме23с6, зба-
гачених хромом, що свідчить про виникнення де-
фіциту хрому в твердому розчині приграничних
областей. при впливі агресивного середовища
карбіди хрому розчиняються. чим більше різни-
ця концентрацій хрому на границях зерна і в об’є-
мі, тим швидше протікає міжкристалічна корозія.
при цьому існує вірогідність, що корозійне роз-
тріскування, яке було виявлено лише в плакуючо-
му шарі, може прорости у несучий шар. У зв’язку
з цим було оцінено за допомогою математичного
моделювання можливість проростання тріщини в
основний метал.
Для оцінки ймовірності росту тріщин в пла-
куючому шарі проведено, як згадувалось, аналіз
розподілу елементів, що входять до складу сталі,
як пошкоджених, так і непошкоджених ділянок,
прилеглих до тріщини (табл.1). були вибрані ти-
пові ділянки з тріщинами з верхньої та нижньої
частини посудини. з метою отримання топографії
поверхні, а також якісного і кількісного аналізу
складу границь зерен було використано оЖс з ло-
кальністю ~ 50 нм. перед завантаженням зразка в
робочий контейнер мікрошліф піддавався проми-
ванню спиртом і гексаном з використанням уль-
тразвукового очищення. як можна бачити, перш
за все звертає на себе увагу відсутність вуглецю,
що обумовлено, як зазначалося, проникненням
водню. на границі зерна більше ніж у три рази
знижується вміст заліза, у вісім разів нікелю, май-
же в два рази збільшується вміст хрому і приблиз-
но в 40…50 разів збільшується кількість сірки
(табл. 1).
таким чином, в обсязі «здорового» зерна еле-
ментний склад металу практично відповідає скла-
ду сталі 0х18н10т. в міру наближення до об-
ласті, охопленої корозією, розподіл елементів
набуває нестабільного характеру.
на глибині, де швидкість просування корозій-
ної тріщини сповільнюється, спостерігається де-
яке вирівнювання в розподілі між тілом і грани-
цею зерна як заліза, так хрому і нікелю, що стає
ще більш помітним під час майбутньої зупинки
міжкристалітної тріщини. Результати оЖс добре
узгоджуються з даними МРа.
Металографічний аналіз поздовжнього перері-
зу конічних темплетів показав, що тріщини в ос-
новному металі не пов’язані зі зварним з’єднан-
ням і притупляються на глибині менше 1,5 мм від
поверхні у верхній частині апарату і менше 2 мм в
нижній частині апарату. слід зазначити, що метал
нижньої частини посудини має більш тонку будо-
ву в порівнянні з верхньою частиною, що, ймовір-
но, також може відбитися на опорі руйнуванню, в
тому числі і міжкристалічній корозії (табл. 2).
таким чином, плакуючому шару властива ха-
рактерна для нержавіючих сталей грубозерниста
структура з балом зерна аустеніту 1-2 для вер-
ху і 1-4 для низу апарату. У той же час несучий
шар являє собою більш тонку структуру з ферит-
но-перлітною складовою з балом зерна фериту
5-7. наглядно підтверджено, що аустенітна струк-
тура завдяки великому розміру зерна, а також про-
цесам, що відбуваються на границях зерен, схиль-
на до утворення міжкристалічної корозії, яка
пов’язана зі збідненням приграничних областей
зерен атомами хрому і одночасним утворенням на
границях зерен карбідів хрому у вигляді Cr23C6.
Карбіди виступають в ролі анода, через що від-
бувається різке збільшення швидкості міжкриста-
лічної корозії. при підвищеній температурі атоми
вуглецю, які набагато менші атомів хрому і мають
більшу рухливість, дифундують до границь зерен
не тільки з прикордонних зон, але й з об’єму. при
цьому в карбідоутворенні бере участь майже весь
Т а б л и ц я 1 . вміст елементів в тілі непошкодженого зерна і на «роз’їденій» границі, мас. %
Місце дослідження C Ti Cr Ni Fe S
тіло зерна 0,55 0,11…0,13 18,1…19,2 9,2…9,8 71,2…72,3 0,5…0,7
Ушкоджена границя - 0,21…0,26 28,5…36,6 1,05…2,12 18,8…20,5 21,0…34,0
Т а б л и ц я 2 . параметри структури металу реактора
Місце дослідження
бал зерна за гост 5639-82
верх низ
плакуючий шар 1-2 1-4
несучий шар 5-6 6-7
66 ISSN 0235-3474. Техн. диагностика и неразруш. контроль, 2018, №2
пРОИЗвОДСТвЕННыЙ РАЗДЕЛ
вуглець зерна, а щодо атомів хрому, то тільки ті,
які розташовані майже біля самих його границь.
таким чином, як відзначалось, карбіди концентру-
ються біля границь зерен, утворюючи суцільний
ланцюжок, а прикордонні області виявляються
збіднені хромом. при впливі агресивного сере-
довища карбіди хрому розчиняються. про швид-
кість міжкристалічної корозії нержавіючих спла-
вів можна судити по концентрації в зерні атомів
хрому. чим більша різниця концентрації хрому на
границях зерна, тим швидше протікає міжкриста-
лічна корозія.
на протікання міжкристалічної корозії при
дії сильних окиснювачів великий вплив робить
не один, а кілька факторів одночасно (інтенсив-
не розчинення надлишкових фаз, нестійких в да-
ному середовищі; вплив хромат-іонів; вибірко-
ве розчинення границь зерен, збіднених хромом;
вибіркове розчинення місць концентрації домі-
шок т. і.). при цьому розтріскування границь по
типу міжкристалічної корозії, зумовленої як пере-
падом концентрацій елементів заміщення (хром,
нікель, титан), так і зневуглецюванням, при-
зводить до заповнення їх сіркою, що може при-
звести до подальшого розвитку сірководневого
розтріскування.
необхідно підкреслити, що в цілому, незважа-
ючи на розгалужену павутиноподібну сітку трі-
щин на внутрішній поверхні апарату, в місцях,
віддалених від зварних швів, розвиток тріщин з
плакуючого шару (сталь 0х18н10т) як у верхній,
так і в нижній частині посудини не поширюється
до перехідного шару (сталь 15хМ), зупиняючись
на глибині не більше 2 мм.
оцінка поширенння тріщиноподібного
дефекту в плакуючому шарі хімічного
реактора на основі критерію лінійної механіки
руйнування. Для подальшої оцінки ймовірності
росту тріщин в плакуючому шарі використано
метод порівняння допустимого значен-
ня тріщиностійкості плакуючого мате-
ріалу (K1С) з розрахунковим значенням
коефіцієнта інтенсивності напружень
KI. наводиться значення допустимої
тріщиностійкості для матеріалу пла-
куючого шару, в якості якого застосо-
вана сталь 08х18н10т. Розрахунко-
ве значення коефіцієнта інтенсивності
напружень отримано шляхом матема-
тичного моделювання напівеліптичної
тріщини з максимальними лінійними
розмірами методом кінцевих елементів.
завдання вирішувалося шляхом масшта-
бування – переходу від повномасштабної
геометричної моделі посудини до неве-
ликої «проблемної» ділянки конструкції
із напівеліптичною тріщиною. До гео-
метричної моделі, розбитої на кінцеві елементи,
включені граничні умови у вигляді робочих пара-
метрів – робочий тиск і температура.
в результаті розрахунку отримано розподіл на-
пружень і пружних деформацій, а також значен-
ня коефіцієнта інтенсивності напружень в околі
заданої напівеліптичної тріщини при дії робочих
параметрів навантаження на конструкцію. по-
рівнявши розрахункові значення КI з допустимим
K1С для даної сталі зроблено висновок про те, що
тріщина в плакуючому шарі не має схильності до
зростання.
Для встановлення ймовірності поширення трі-
щини із плакуючого в несучий шар посудини при
робочих навантаженнях було використано метод
скінченних елементів, який складався з декількох
етапів:
1. Побудова геометричної моделі. геометрич-
на модель посудини побудована у програмному
модулі і складається з таких основних елементів:
нижнього та верхнього денця, обичайок корпуса,
опорного кільця, опорної спідниці, двох патрубків
Ду100, одного патрубка Ду200, одного патрубка
Ду350 та одного Ду500.
2. Генерування сітки для повної моделі. Мо-
дель розбивається на сітку скінченних елементів
в автоматичному режимі з параметром «величи-
ни комірки» 20 мм таким чином, щоб по товщині
стінки припадало щонайменше 2 елемента тетра-
едальної форми
3. Граничні умови. граничними умовами для
моделі виступають робочі параметри: темпера-
тура 420 ос і внутрішній тиск 2,9 Мпа. Для вирі-
шення теплової задачі, окрім внутрішньої поверх-
ні посудини, що навантажена температурою, усі
зовнішні поверхні задіяні в конвективному тепло-
обміні з навколишнім середовищем. обмеження
ступенів свободи моделі відбувалось за рахунок
Рис. 3. еквівалентні напружен-
ня по Мізесу
67ISSN 0235-3474. Техн. диагностика и неразруш. контроль, 2018, №2
пРОИЗвОДСТвЕННыЙ РАЗДЕЛ
закріплення опорної частини спідниці по трьох
координатах.
4. Розрахунок повної моделі для визначення ло-
кальних зон концентрації напружень. Для аналі-
зу взято повні еквівалентні напруження по Мізе-
су, результати чого показані на рис. 3. як видно з
рисунка, напруження в основній частині посуди-
ни знаходяться в межах 85 Мпа, а пікові значен-
ня припадають на ділянки вварювання патрубків.
всі значення напружень знаходяться в допусти-
мих межах, тобто конструкція працює в пружній
області, напруження не перевищують границі те-
кучості σт = 245 Мпа для даної сталі при заданій
температурі.
5. Створення підмоделі на основі моделі і ге-
нерування сітки для підмоделі (рис. 4). після ви-
значення зон з високою концентрацією напру-
жень в межах зони розтріскування можна перейти
до створення підмоделі на базі цієї моделі. Для
цього модель ріжеться на частини, а потім непо-
трібні фрагменти моделі просто пригнічуються.
при пригніченні частин моделі автоматично збе-
рігається геометрична зв’язаність об’єктів, тобто
пригнічені тіла не змінюють свого положення від-
носно глобальної системи координат. Для передачі
(інтерполяції) переміщень з повної моделі в підмо-
дель необхідно задати вибірки геометричних об’єк-
тів (Named Selection) в місцях сполучення підмоделі
з моделлю. на ці вибірки надалі будуть посилатися
команди спеціального макросу.
6. інтерполяція граничних умов з повної моде-
лі в підмодель, моделювання тріщиноподібного
дефекту в підмоделі (рис. 5). в підмодель за до-
помогою автоматичного макросу «тріщина» вно-
ситься напівеліптична тріщина з геометричними
параметрами, отриманими з вирізаних зразків.
тріщина орієнтована в поздовжньому (вздовж осі
корпуса посудини) напрямку, як найбільш небез-
печному. Довжина тріщини 20 мм і глибина 2 мм.
7. Побудова сітки скінченних елементів в об-
ласті тріщини та аналіз отриманих результатів.
Для оцінки можливості розповсюдження тріщини
використовується коефіцієнт інтенсивності на-
пружень (Кін). Кін використовується у лінійній
механіці руйнування для опису полів напружень
поблизу вершини тріщини. на рис. 6 зображено
розподіл Кін для тріщини. Допустимий Кін для
сталі плакуючого шару 08х18н10т згідно робо-
ти [9] становить 268 Мпа·м½. отриманий розпо-
діл Кін складає 442,19 Мпа·мм½, і це дорівнює
13,98 Мпа·м½, що майже в 20 разів менше допу-
стимого значення. отже робиться висновок, що
тріщина проростати не буде.
тим не менш в найбільш навантаженому мі-
сті апарату згідно з поширеною парадигмою про-
грамного аналізу в плакуючому шарі посудини
було змодельовано тріщину і досліджено можли-
вість її подальшого росту.
таким чином, в результаті розрахунку отри-
мано розподіл напружень і пружних деформацій,
а також значення коефіцієнта інтенсивності на-
пружень в околі заданої напівеліптичної тріщини
при дії робочих параметрів навантаження на кон-
струкцію. порівнявши розрахункові значення КI з
допустимим K1С для даної сталі зроблено висно-
вок про те, що досліджена тріщина в плакуючо-
му шарі не має схильності до зростання. тим не
менш розтріскування є небажаним явищем, бо в
процесі експлуатації може призвести до втрати
герметичності посудини тиску та підтікання ро-
бочого продукту під плакуючий шар, що в свою
чергу, може обумовити спонтанне поширення ко-
розійних пошкоджень. саме тому в роботі [10] за-
пропоновано комплекс ремонтних заходів, які по-
лягають у вибірці дефектної ділянки з подальшим
отриманням наплавленого матеріалу методами
ручного дугового заварювання, або механізовано-
го зварювання порошковим дротом таким чином,
щоб характеристики наплавленого матеріалу були
Рис. 4. вирізана частина підмоделі Рис. 5. тріщиноподібний дефект в підмоделі
Рис. 6. Розподіл Кін для напівеліптичної тріщини
68 ISSN 0235-3474. Техн. диагностика и неразруш. контроль, 2018, №2
пРОИЗвОДСТвЕННыЙ РАЗДЕЛ
аналогічними характеристикам плакуючого шару.
при цьому також рекомендовано знизити робочі
параметри експлуатації даного обладнання.
Список літератури
1. лобанов л. М., Рабкина М. Д., нетребский М. а., Му-
тас в. в. (2013) закономерности развития эксплуата-
ционных дефектов в сварных конструкциях нефтепе-
рерабатывающего комплекса. сб. мат. «Повышение
надежности и долговечности оборудования нефтегазо-
вой промышленности», бердянск, сс. 97–102.
2. гиренко в. с., Рабкина М. Д., Дядин в. п. и др. (1998) неко-
торые результаты технической диагностики сосудов и тру-
бопроводов в нефтехимической промышленности. Техни-
ческая диагностика и неразрушающий контроль, 3, 17–24.
3. гиренко в. с., Рабкина М. Д., гиренко с. в. (2003) Физи-
ко-механические изменения в сталях при эксплуатации в
водородосодержащих средах. Там же, 4, 18–24.
4. Рабкіна М. Д., перепічай а. о., перепічай і. і., Мутас в.
в. (2017) аналіз результатів технічного діагностування
кожухотрубних теплообмінників для ранжування
експлуатаційних дефектів та оцінки їх впливу на
залишковий ресурс. Там же, 2, 50–54.
5. гиренко в. с., Мутас в. в., гиренко с. в. (2001) проч-
ность трубопроводов и сосудов с коррозионными выем-
ками. Там же, 4, 21–23.
6. Рабкина М. Д. (2004) Результаты технического диагно-
стирования печных змеевиков установок каталитическо-
го риформинга и гидроочистки нефтепродуктов. Там же,
2, 9–17.
7. Рабкина М. Д. (2005) оценка коррозионных поражений
колонн ректификации и сероочистки углеводородных га-
зов. Там же, 2, 3–8.
8. нпаоп 0.00-6.09-10 (1.6, п.4.3.10) Порядок проведення
огляду, випробування та експертного обстеження об-
ладнання установок гідрогенізаційних процесів у нафто-
переробному, нафтохімічному виробництвах.
9. пнаЭ г-7-002-86 Нормы расчета на прочность обо-
рудования и трубопроводов атомных энергетических
установок.
10. Ющенко К. а., чекотило л. в., Каховский Ю. н. и др.
опыт ремонта корпусов колонного оборудования по пе-
реработке нефти из двухслойных сталей. Режим досту-
па: http://www.kpi.kharkov.ua/archive/наукова_періодика/
vestnik/хімія,%20хімічна%20технологія%20та%20еко-
логія/2010/14/17.pdf, с. 122–136.
References
1. Lobanov, L.M., Rabkina, M.D., Netrebsky, M.A., Mutas,
V.V. (2013) Regularities of propagation of service defects in
Welded structures of oil processing complex. In: Improve-
ment of reliability and fatigue life of equipment of oil and gas
industry: Transact. Berdyansk, 97-102 [in Russian].
2. Girenko, V.S., Rabkina, M.D., Dyadin, V.P. et al. (1998)
Some results of technical disgnostics of vessels and pipelines
in petrochemical industry. Tekh. Diagnost. i Nerazrush. Kon-
trol, 3, 17-24 [in Russian].
3. Girenko, V.S., Rabkina, M.D., Girenko, S.V. (2003) Physi-
co-mechanical changes in steels in service in hydrogen-con-
taining media. Ibid., 4, 18-24 [in Russian].
4. Rabkina, M.D., Perepichay, A.O., Peremichay, I.I., Mutas,
V.V. (2017) Analysis of results of technical diagnostics of
shell-and-tube heat exchangers for ranking of service defects
and evaluation of their effect on residual life. Ibid., 2, 50-54
[in Russian].
5. Girenko, V.S., Mutas, V.V., Girenko, S.V. (2001) Strength of
pipelines and vessels with corrosion recesses. Ibid., 4, 21-23
[in Russian].
6. Rabkina, M.D. (2004) Results of technical diagnostics of
furnace coils in installations of catalytic reforming. Ibid., 2,
9-17 [in Russian].
7. Rabkina, M.D. (2005) Evaluation of corrosion damage of
columns for rectification and desulphurization of hydrocar-
bon gases. Ibid., 2, 3-8 [in Russian].
8. NPAOP 0.00-6/09-10 (1.6, item 4.3.10):Procedure of inspec-
tion, testing and expert examination of equipment of hydro-
genation process installations in oil processing and petro-
chemical productions [in Russian].
9. PNAEG-7-002-86: Norms of strength calculation of equip-
ment and pipelines of nuclear power units [in Russian].
10. Yushchenko, K.A., Chekotilo, L.V., Kakhovsky, Yu.N. et al.
Experience of repair of two-layer steel cases from of col-
umn equipment for oil processing. http.kpi.kharkov.ua/ar-
chive/2010/14/17.pdf, 122-136 [in Ukrainian].
и. и. пеРепичай, а. а. пеРепичай, в. в. МУтас,
М. Д. РабКина
иЭс им. е. о. патона нан Украины. 03150, г. Киев, ул.
Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
МоДелиРование возМоЖности Развития тРе-
щинопоДобных ДеФеКтов в сосУДах Давления
из ДвУхслойных сталей
после окончания нормативного срока службы многие из ответ-
ственных сварных конструкций продолжают свою работу, в свя-
зи с чем возникает необходимость продления их эксплуатации в
безопасном режиме. наиболее уязвимым местом с точки зрения
возникновения и распространения трещиноподобных дефектов
в элементах оборудования из биметалла является участок пере-
хода от коррозионностойкой к теплостойкой стали. поскольку
эмпирические расчеты, особенно в случае биметалла, не всегда
осуществимы, возникает необходимость моделирования напря-
женно-деформированного состояния конструкции, что дает воз-
можность спрогнозировать дальнейший рост дефекта заданных
размеров при известных рабочих параметрах конструкции. би-
блиогр.10, табл. 2, рис. 6.
Ключевые слова: трещиноподобные дефекты; моделирование
напряженно-деформированного состояния; коэффициент интен-
сивности напряжений; двухслойные стали
MODELING ThE POSSIBILITY OF PROPAGATION OF
CRACKLIKE DEFECTS IN PRESSURE VESSELS FROM
TWO-LAYER STEELS
I. I. PEREPIChAI, A. O. PEREPIChAI, V. V. MUTAS,
M. D. RABKINA
E.O.Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, 11
Kazimir Malevich str., 03150, Kiev.
E-mail: office@paton.kiev.ua
After the normative service life is over, many critical welded
structures remain in service that necessitates the need to continue
their safe operation. The most sensitive location from the view
point of initiation and propagation of cracklike defects in bimetal
elements of equipment is the area of transition from corrosion-
resistant to heat-resistant steel. As empirical calculations,
particularly in the case of a bimetal, cannot always be performed,
there arises the need to model the stress-strain state of the
structure, that enables prediction of further growth of the defect
of specified dimensions with the known working parameters of
the structure. 10 References, 2 Tables, 6 Figures.
Keywords: cracklike defects, modeling the stress-strain state,
stress intensity factor, two-layer steels
Надійшла до редакції
22.03.2018
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167573 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0235-3474 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:57:09Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Перепічай, І.І. Перепічай, А.О. Мутас, В.В. Рабкіна М.Д. 2020-03-31T13:28:45Z 2020-03-31T13:28:45Z 2018 Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей / І.І. Перепічай, А.О. Перепічай, В.В. Мутас, М.Д. Рабкіна // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2018. — № 2. — С. 63-68. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 0235-3474 DOI: http://dx.doi.org/10.15407/tdnk2018.02.09 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167573 620.191.33 Після закінчення нормативного терміну служби багато з відповідальних зварних конструкцій продовжують свою роботу, в зв’язку з чим виникає необхідність продовження їх експлуатації в безпечному режимі. Найбільш вразливим місцем з точки зору виникнення і поширення тріщиноподібних дефектів в елементах обладнання з біметалу є ділянка переходу від корозійностійкої до теплостійкої сталі. Оскільки емпіричні розрахунки, особливо в разі біметалу, не завжди здійсненні, виникає необхідність моделювання напружено-деформованого стану конструкції, що дає можливість спрогнозувати подальше зростання дефекту заданих розмірів при відомих робочих параметрах конструкції. После окончания нормативного срока службы многие из ответственных сварных конструкций продолжают свою работу, в связи с чем возникает необходимость продления их эксплуатации в безопасном режиме. Наиболее уязвимым местом с точки зрения возникновения и распространения трещиноподобных дефектов в элементах оборудования из биметалла является участок перехода от коррозионностойкой к теплостойкой стали. Поскольку эмпирические расчеты, особенно в случае биметалла, не всегда осуществимы, возникает необходимость моделирования напряженно-деформированного состояния конструкции, что дает возможность спрогнозировать дальнейший рост дефекта заданных размеров при известных рабочих параметрах конструкции. After the normative service life is over, many critical welded structures remain in service that necessitates the need to continue their safe operation. The most sensitive location from the view point of initiation and propagation of cracklike defects in bimetal elements of equipment is the area of transition from corrosionresistant to heat-resistant steel. As empirical calculations, particularly in the case of a bimetal, cannot always be performed, there arises the need to model the stress-strain state of the structure, that enables prediction of further growth of the defect of specified dimensions with the known working parameters of the structure. uk Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Техническая диагностика и неразрушающий контроль Производственный раздел Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей Моделирование возможности развития трещиноподобных дефектов в сосудах давления из двухслойных сталей Modeling the possibility of propagation of cracklike defects in pressure vessels from two-layer steels Article published earlier |
| spellingShingle | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей Перепічай, І.І. Перепічай, А.О. Мутас, В.В. Рабкіна М.Д. Производственный раздел |
| title | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей |
| title_alt | Моделирование возможности развития трещиноподобных дефектов в сосудах давления из двухслойных сталей Modeling the possibility of propagation of cracklike defects in pressure vessels from two-layer steels |
| title_full | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей |
| title_fullStr | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей |
| title_full_unstemmed | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей |
| title_short | Моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей |
| title_sort | моделювання можливості розвитку тріщиноподібних дефектів у посудинах тиску з двошарових сталей |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167573 |
| work_keys_str_mv | AT perepíčaiíí modelûvannâmožlivostírozvitkutríŝinopodíbnihdefektívuposudinahtiskuzdvošarovihstalei AT perepíčaiao modelûvannâmožlivostírozvitkutríŝinopodíbnihdefektívuposudinahtiskuzdvošarovihstalei AT mutasvv modelûvannâmožlivostírozvitkutríŝinopodíbnihdefektívuposudinahtiskuzdvošarovihstalei AT rabkínamd modelûvannâmožlivostírozvitkutríŝinopodíbnihdefektívuposudinahtiskuzdvošarovihstalei AT perepíčaiíí modelirovanievozmožnostirazvitiâtreŝinopodobnyhdefektovvsosudahdavleniâizdvuhsloinyhstalei AT perepíčaiao modelirovanievozmožnostirazvitiâtreŝinopodobnyhdefektovvsosudahdavleniâizdvuhsloinyhstalei AT mutasvv modelirovanievozmožnostirazvitiâtreŝinopodobnyhdefektovvsosudahdavleniâizdvuhsloinyhstalei AT rabkínamd modelirovanievozmožnostirazvitiâtreŝinopodobnyhdefektovvsosudahdavleniâizdvuhsloinyhstalei AT perepíčaiíí modelingthepossibilityofpropagationofcracklikedefectsinpressurevesselsfromtwolayersteels AT perepíčaiao modelingthepossibilityofpropagationofcracklikedefectsinpressurevesselsfromtwolayersteels AT mutasvv modelingthepossibilityofpropagationofcracklikedefectsinpressurevesselsfromtwolayersteels AT rabkínamd modelingthepossibilityofpropagationofcracklikedefectsinpressurevesselsfromtwolayersteels |