Сұламалық пен жоғары температурадағы сутекті коррозияны ескергендегі айналмалы коникалық өзгергіш қатты қабықтың ұзақтық беріктігі

ƏОЖ 539.4.016.3

Сұламалық пен жоғары температурадағы сутекті коррозияны ескергендегі айналмалы коникалық өзгергіш қатты қабықтың ұзақтық беріктігі

Durable strength in view of corrosion

Нұрлан Т.С., Əбдірахманов Н.Ғ.

Е.А.Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті

В качестве примера определено напряженно-деформированное состояние конической оболочки с от- верстием при совместном учете факторов, влияющих на ее прочность и долговечность: воздействие высокой температуры, возникновение пластических деформаций, развитие деформаций ползучести, накопление повреждений в материале при ползучести и деградации механических свойств материала вследствие высокотемпературной водородной коррозии.

Elasto-plastic stressed-strained state of a conical shell a hole is defined as an instance at the same time taking into account the factors affecting its strength and durability: the affect of high temperature, occurrence of plastic deformation, development of creep strains, accumulation of faults to the material when creeping and degradation mechanical characteristics of the material owing to high-temperature hydrogen-type corrosion.

Қазiргі уақытта химия өнеркəсібі мен энергетикада айналудың жұқа бір қабатты жəне көп қабат- ты қабықшалары түрінде орындалған болат конструкцияларының барысында элементтер кеңінен қол- данылады. Мұндай конструкциялар материалдың коррозияға ұшыраған əр түрлі орталарында, сон- дай–ақ күштік жəне жылулық жүктемелер əсеріне душар бола алады. Бұл жерде коррозияның аса та- ралған түрi болаттардың жоғары температуралы сутекті коррозиясы болып табылады. Болат конструкцияларына сутегінің əсерi өздері дайындаған материалдардың көміртексізденуіне əкеліп со- ғады. Оны олардың қатаңдығының, лездік, ұзақтық берiктілігінің жəне иілімділігінің едəуір төмен- деуiнен көруге болады. Неғұрлым температура, сутегінің қысымы жəне əсер ететін кернеулердің ұзақтық беріктілігі жоғары болған сайын, бұл процесс қарқындылырақ болады. Мысалы, белгілі бір уақыт өткен соң 20 болаты үшін 500^о С температура мен 5 МПа сутегінің парциалды қысымы кезінде серпімділік модулі 20%-ға азайя алады, осындай механикалық мінездемелер лездік, ұзақтық берікті- лігі жəне ағымдық шектері ретінде одан да жоғары дəрежеде төмендейді [1].

Сутектi коррозия салдарынан материалдардың механикалық қасиеттерінің осындай азып–тозуы конструкцияны айтарлықтай əлсiретедi жəне иілімді деформациялар кернеулерінің жоғарлануына жə- не сұламалық деформацияның дамуына, ақыр соңында, конструкцияның жылжымалық қабілетінің бұзылуына əкелiп соғады.

Сондықтан сутекқұрамды ортаның əсері мен термокүштiк жүктемелер жағдайындағы конструк- циялардың жұмыс жасау қабілеттілігінің нақты бағасы үшін оларға əсер етуші факторлармен бірге кернеулік-деформациялық күйлерінің өзгеруінің сандық модельдеу мүмкіндігі болуы қажет.

Алынған нəтижелердің тиімділігі мен нақтылығы жағынан мұндай есептерді шешудің неғұрлым өнімді тəсілі олардың кезең-кезеңімен шешілуі болып табылады. Бұл жерде бірінші этапта есеп қара- пайым қойылыммен шешіледі (əсерін жеке факторларын ескере отырып) жəне алынған нəтижелерді талдағаннан кейін есепті одан да күрделі қойылыммен шешуге көшу жүзеге асады. Сонымен, қара- пайым жолдан күрделіге көше келе, соңында барлық əсер ететін факторлар мен материалды өзін ұс- тау ерекшелігін ескере отырып, есептеу орындалады. Этап бойынша есепті шешу кезінде алынған нə-

Ре по зи то ри й Ка рГ У

тижелерді талдау негізінде модельдер мен гипотезаларды таңдап алуға болады. Материалдың өзін ұс- тауын сипаттайтын заңдылықтар жүктеменің қарастырылған жағдайларына қолданыла алады.

Айналудың жұқа бір қабатты жəне көп қабатты қабықшалар түріндегі конструкциялардың жыл- жымалық қабілеті мен ұзақтығын анықтау үшін [2–5] жұмыстарында келтірген авторлардың есептеу əдісметемесін қолданамыз. Бұл əдістеме айналудың жұқа бір қабатты жəне көп қабатты қабықшалар- дың осесимметриялық серпімдіиілімді кернеулік-деформациялық күйлерін өзгерту тарихын зерттей- ді. Сондай-ақ сұламалық кезіндегі материалдардың бүлінуі ескеріліп, олардың жылжымалық қабілеті мен ұзақтығы бағалануы керек. Жоғары температуралы сутекті коррозияның əсерін ескеру үшін құра- мында сутегі бар ортаның конструкцияға əсер ету моделін қолдану арқылы берілген əдістеменің есе- бін жалпылаймыз.

Ол келесі түрде берілуі мүмкін:

– термосерпімді;

– термосерпімдіиілімді;

– сұламалық кезінде материалдардың зақымдануын есепке алмағандағы термотұтқырсерпім- діиілімді;

– сұламалық кезінде материалдардың зақымдануын есепке алғандағы термотұтқырсерпім- діиілімді;

– сұламалық кезінде материалдардың зақымдануын жəне сутектi коррозияны есепке алғандағы термотұтқырсерпімдіиілімді;

– сұламалық кезінде материалдардың зақымдануын жəне сутекті коррозияны зақымдану об- лыстарын дамыту кинетикасын зерттеумен бірге есептегендегі термотұтқырсерпімдіиілімді.

1. Есептің термосерпімді қойылымы. Мұнда кернеудің деформациядан сызықты тəуелділігі, ма- териалдар қасиеттерінің температурадан тəуелділігі температураның əр түрлі бекітілген мəндері үшін материалдардың механикалық қасиеттерінің берілу жолдары арқылы есепке алынады. Материалдар- дың механикалық қасиеттеріне жоғары температуралы сутекті коррозияның əсерін ескеру сутектіқұ- рамды ортадағы [1] қабықшаға əсер моделінің қолданылуы арқылы жүзеге асады. Оған сəйкес сутегі- нің материалдар қасиетіне əсері  конструкциясының материалы бар сутегінің химиялық өзара əсері- нің параметрі үшін дифференциалдық түрде келтірілген

) 1 ( 





 dt k

d . (1)

Бастапқы шартары

) , , ( ,

0 ₀ pT _C

t   , (2)

мұндағы k(p,T,_C) — p қысымының, T температурасының, _C химиялық айналымдар кинетика- сын зақымдандыру дəрежесіне əсерін ескеретін коэффициент.

Материалға сутегiнiң əсерi қабықшаның бетінен, яғни ол құрамында сутегі бар ортамен тiкелей түйiсетiн бетiнен басталады, жəне материалдың көмiртексiздендiруiнде айқындалады. Материалға, сутегiнiң енуiне қарай, бұл процесс көмiртексiздендiрiлген материалдар облысының пайда болуымен тереңге жайылады. Бастапқы жəне көмiртексiздендiрiлген күйдегi материалдар облысын шектейтiн беттi көмiртексiздендiру майданы деп атаймыз.

Көмiртексiздендiру майданының орын ауыстыру кинетикасы келесi өрнекпен анықталады:

– пластинаға арналған:

u u

PB

m h

z ^



 











 

 ²

1

t

/T) exp(B

1 ; (3)

– қабықшаға арналған:

, ) 1

( 



 



 

 ^f

B

B r

r h

z _u ^u

PB

f m  ^



 











 

 ²

1

t

/T) exp(B

1 , (4)

мұндағы z – сутегінің қабықшамен байланысу бетінен санағандағы көмiртексiздену тереңдігі; h – қабықша жуандығы; r_B– қабықшаның ішкі радиусы; t – көмiртексiздену тереңдігі анықталатындар

Ре по зи то ри й Ка рГ У

2. Есептiң термосерпімдіиілімді қойылымы. Бұл жағдайда материалдың өзін ұстау заңы серпiмдi деформациялар шектерiнде ғана есептеледi, ал қайтымсыз деформацияларды дамытудың үлгілеуі үшiн жүктеудi тарихтың зерттеуiнiң мүмкiндiгi мен тұрақты жылу күш беретiн жүктеу жағдайда аз қисықтықтың траекториялары бойынша қатты заттың элементтерiнiң серпiмдi – созылмалы деформа- циялануының изотермикалық емес процестерiнiн қолдануға болады [6]. Жүктеу шарттары жəне оның көтеру қабiлетiн бағалауға арналған қабық материалдарының механикалық қасиеттерiн байланысты- рар лездiк қиратудың үш белгiлерi бiр қолдануы мүмкiн: Рэнкин, Треска - Гест немесе Губер-Мизес.

3. Сұламалық кезінде материалдардың зақымдануын есепке алмағандағы термотұтқырсерпім- діиілімді есептің қойылымы. Алдыңғы есептің қойылуына қосымша ретінде бұл жерде қабық матери- алдарының сұламалығы уақыт деформацияларының дамытуының мүмкіндік салдарынан есептеледі;

бұл жылжымалылық деформацияларының анықтайтын теңдеулерiнде кіріспе жолымен есепке алына- ды. Қабықтың қиратуын белгінің ретiндегісіндегілермен қолданыла алады немесе қойылуда 2 қарас- тырылған лездiк берiктiктердің белгілері немесе жиналған толық деформациялардың жанында тап қалған барынша мүмкін мəндерi асатын шарт бір.

4. Сұламалық кезінде материалдардың зақымдануын ескерген жағдайда есептің термотұтқыр серпімдіиілімді қойылымы. Есептің берілген қойылымында сұламалық деформациясының дамуы қа- бықша материалының зақымданулар жинағымен шектеседі. Ол да ақыр соңында қирауға əкеліп со- ғуы мүмкін.

Сұламалық деформациясының даму процесінде зақымдану орнына _C зақымданудың скаляр параметрі алынады. Ол микроақаулардың көлем бірлігінде бірқалыпты шашыратылған салыстырма- лы тығыздығын сипаттайды жəне де зақымдану жоқ кезде нөлге тең, қирау кезінде бірге жақын бола- ды. Қабықша материалдарының зақымдануының оның деформациялану процесіне əсерін ескеру тер- мотұтқыриілімділік қатынастарына зақымдану параметрін енгізу жолдарымен жүзеге асады. Оны анықтау үшін Ю.Н.Работнов [7] ұсынған формада сұламалық салдарынан материалдардың зақымда- нуының кинетикалық теңдеуі қолданылады.



 







 

c Э i c

C w dt dw

1 , (5)

мұнда



_Э— эквивалентті кернеу, ол арқылы қабықша элементінің кернеулік күй түрінің зақымдану жинағы процесінің дамуына əсері ескеріледі; C_i– i-ші материалдың кейбір мінездемелері, олар ұзақ- тық берiктiлiгі диаграммаларының сəйкес бөлiмшелерiн ең жақсы аппроксимациялау шарттарынан анықталады.

Зерттелiп отырған қабықша материалындағы зақымданулардың жинақталу процесі зақымдану- дың кинетикалық теңдеуiнің жүктелуiнің əрбiр кезеңiнде тізбектей шешу жолдарымен есептеледі.

Қабықша элементiнiң зақымдануының жинақталу процесiн зерттеу бірге жақын берiлген шекті мəн- нің а>с параметрiне жеткенге дейiн жалғасады. Бұл қабықшаның локалды қирау шарты болып табы- лады (яғни қирау процесінің басы).

5. Сұламалық кезінде материалдардың зақымдануын ескере отырып жəне қираудың таратылу стадиясын зерттеумен алынған есептiң термотұтқырсерпімдіиілімді қойылымы. Осындай қойы- лымдағы есептiң шешуi қабықшаның қирауының таратылу стадиясын зерттеуін білдіреді. Ол үшiн бі- рінші жуықтауда Л.М.Качанов ұсынған əдіс қолданылады. Ол қирау майданының орын ауыстыруына негiзделген (материалдың қираған жəне қирамаған облыстарын шектейтiн беттер). Сонымен, сұлама- лық пен жоғары температуралы сутектi коррозия кезіндегі материалдың зақымдануы мен көміртек- сіздену майданның орын ауыстыруын, қабықшаның кернеулік-деформациялық күйiнің өзгеру тари- хын зерттей келе жəне лездік, ұзақтық беріктілігінің сəйкес критерийлерін, оның жылжымалылық қа- білетін жəне жоғарыда аталған барлық факторлардың əсерлерiн ескере отырып, бағалауға болады.

Мысал ретiнде PH2 3,5 Мпа сутегінің қысымының əсеріндегі коникалық қабықшаның 500° С температураға дейін бірқалыпты қыздырылған кернеулік-деформациялық күй қарастырылған. Қабық- ша 20 болат материалынан жасалған жəне оның геометриялық өлшемдері берілген (1 – сур.). Сутегi- нiң қысымы сыртқы жағынан жүзеге асады. Қабықша w20 айн/мин бұрыштық жылдамдықпен ай- налады.

Ре по зи то ри й Ка рГ У

1-сур. Коникалық қабықшаның геометриялық өлшемдері

Қатынастардағы материалдың тұрақтылары [2]-ден алынған. Олар 20 болаты үшін берілген жүк- теме шарттарында келесі мəндердi қабылдайды: k1,4910^5 (МПа); u1,73;B13500; 5. Берiл- ген есептеуде кернеу деңгейінiң көміртексіздену жылдамдығына əсері ескерілмеген. Қарастырылып отырған есеп келесі қойылымдарда шешілген:

– сұламалық кезінде материалдың зақымдануын ескергендегі термотұтқырсерпімдіиілімді, 5

,

3

P МПа, T500C, 20айн/мин;

– сұламалық пен сутектi коррозия кезінде материалдың зақымдануын ескергендегі термотұт- қырсерпімдіиілімді, P3,5 МПа, T500C, 20 айн/мин. Сутегінің қабықша материалына əсерін ескермегендегі есептеу қабықшаға берілген жүктеме шарттарының орындалуында ма- териалда туындайтын кернеулер сұламалық пен ұзақтық беріктілігінің шектерінен төмен бо- латындығын көрсеткен.

Сутегінің əсерін ескерген кездегі берілген қабықшаның есептеулерінің кейбір нəтижелері 2 жəне 3-ші суреттерде келтірілген.

2-сур. Меридианалдық кернеулер

Сонымен, 2-шi суреттегі берілгендер қабықтың əр түрлi уақыттарға арналған сутегiмен тiкелей түйiсетiн бетiне нүктенiң меридиональ қалыпты кернеулерiн үлестiрiлуі көрсетiлген. Бұл мəлiметтер округтық қалыпты кернеулер үшiн тура келедi (3-сур.).

Ре по зи то ри й Ка рГ У

3-сур. Аймақтық кернеулер

Сутегi əсерiн есепке алуы, бар есептеу нəтижелердi талдауының конустық қабықтың жергiлiктi қиратуы сыртқы бет нүктелерiн 7060 сағаттан кейiн конустың негiзiнде болғандығын көрсетедi.

Сайып келгенде, игерiлген əдiстемесi өзгерiстiң тарихын осесимметриялық серпiмдi созылмалы шиеленiстi зерттеуге мүмкiндiк бередi – сұламалық жəне жоғары температуралы сутектi коррозияның жанында материалдардың зақымдануын есепке алуымен айналудың бiр қабатты жəне көп қабатты құ- рыштан жасалған қабықтарының өзгертiлген күйi, сонымен бiрге олардың көтеру қабiлетi жəне ұзақ уақытқа жарамдылығы. Қате нəтиже алуына берiктiк жəне ұзақ уақытқа жарамдылыққа конструкция- лардың есептеудiң нақтылы шарттарында сутегiнiң əсерi ескерілмегендігі себеп екені көрсетiлген.

References

1. Ovchinnikov I.G., Hval’ko T.A. Ablestructure of construction in state of high temperature hydrogen type corrosion. — Saratov, 2003. — 176 p.

2. Belov A.V. Osisymmetrical elastic and plastic stressed-strained state of shells with calculation damage by creeping: Abstract of dis... cand. tekh. science. — Kiev, 1989. — 18 p.

3. Polivanov A.A. Osisymmetrical elastic and plastic deformation of rotation multilayred shells with damage calculationof material by creeping: Abstract of dis... cand. tekhn. science. — Volgograd, 2004. — 19 p.

4. Bagmutov V., Belov A., Polivanov A. Damage Calculation Features of Multilayered Shells of Rotation at Thermo — Viscous — Elasto — Plastic Strain // Mechanika. — 2004. — No 3(47). — Р. 19 — 23.

5. Belov A.V., Polivanov A.A., Popov A.G. The modern problems of the science and education. 2007. — № 4. — P. 80—85.

6. Calculation methods of the shell. T. 3. Theory of elastic and plastic shells an unisotherm loading / Shevchenko Yu.N., Prokho- renko I.V. — Kiev: Nauk. думка, 1981. — 296 p.

7. Rabotnov Yu.N. Creeping of construction elements. — M.: Science, 1966. — 752 p.

Ре по зи то ри й Ка рГ У