close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Оценка допустимой деформации корпусов биметаллических сосудов и аппаратов нефтехимических производств..pdf

код для вставкиСкачать
90
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
УДК 669-419.4
В. Н. Мухин**, В. Г. Шморгун*, А. В. Гришин*
ОЦЕНКА ДОПУСТИМОЙ ДЕФОРМАЦИИ КОРПУСОВ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОСУДОВ
И АППАРАТОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
*Волгоградский государственный технический университет
**ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование, г. Волгоград
(e-mail: mv@vstu.ru)
Рассмотрены особенности разрушения биметалла сталь 16ГС + сталь 08Х13, длительное время эксплуатировавшегося при температуре 420–475 ºС. Показано, что расчет на прочность сосудов и аппаратов нефтехимических производств, изготовленных из биметалла, необходимо осуществлять с учетом его структурномеханической неоднородности.
Ключевые слова: биметаллические аппараты, малоцикловая усталость, структурно-механическая неоднородность, слоистый композит.
The character of destruction of the bimetal steel 16GS + steel 08h13, for a long time operated at a temperature
of 420–475 °C is investigated. It is shown that the calculation of the strength of bimetal vessels and apparatus of
petrochemical industries should be implemented taking into account the structural and mechanical heterogeneity
bimetal.
Keywords: bimetallic apparatus, low cycle fatigue, structural and mechanical heterogeneity, layered composite.
Для изготовления сосудов и аппаратов нефтехимических производств (корпуса ректификационных колонн, реакторов, емкостей) широкое применение находит биметалл сталь
16ГС + сталь 08Х13. Учитывая, что эти производства связаны с опасными продуктами, а разрушение оборудования или отдельных его элементов может вызвать пожары, взрывы и отравления работающего персонала, а также причинить ущерб окружающей среде, применяемые технические средства должны обеспечивать высокую степень надежности и безопасности (федеральный закон № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»).
Практика эксплуатации биметаллических
сосудов и аппаратов в условиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности показала, что условия эксплуатации влияют
на физико-механические свойства биметалла и
могут приводить к аварийным разрушениям
оборудования при нагрузках ниже расчетных.
Последнее связано с ярко выраженной структурномеханической неоднородностью биметалла, приводящей к перераспределению температур и нагрузок по его толщине.
В этой связи значительный научный и практический интерес представляет исследование
особенностей разрушения биметалла, вырезанного из корпуса нефтехимического сосуда давления (реактора установки замедленного коксования), длительное время эксплуатировавшегося
в условиях нестационарных термомеханических
воздействий при температуре 420–475 ºС.
Материалы и методика эксперимента
Металлографические исследования осуществляли на металлографических микроскопах
«NEOРНОT-21», «NEOРНОT-32» и металлографическом комплексе OLYMPUS BX 61.
Испытания на малоцикловую усталость выполнялись в режиме пульсирующего растяжения (рис. 2), наиболее близком к реальному нагружению корпусов сосудов и аппаратов в условиях эксплуатации внутренним давлением
без ограничения по деформации.
Испытывались цилиндрические образцы
диаметром 10 мм и длиной рабочей части 50 мм,
изготовленные из средней части основного
слоя биметалла и плоские образцы толщиной
14–15 мм. При изготовлении плоских образцов
выполнялось пропорциональное утонение слоев биметалла, обеспечивающее сохранение
первоначального соотношения толщин основного и плакирующего слоев. Необходимость
утонения толщины испытываемых образцов
была вызвана условиями проведения испытаний на испытательной машине УМЭ-10ТМ
и желанием сохранить все эффекты деформационного взаимодействия слоев биметалла.
(Котов, Н. В. К вопросу оптимизации проектирования слоистых композиционных материалов / Н. В. Котов, В. Н. Мухин // Проблемы прочности. – 1983. – № 12. –С. 65–68).
Результаты и их обсуждение
Металлографические исследования границы
соединения биметалла сталь 16ГС + сталь 08Х13
показали, что его длительная эксплуатация при
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
I II III
16ГС
08Х13
температурах диффузионной подвижности углерода приводит к формированию у границы
раздела слоев зоны, насыщенной карбидами (со
стороны стали 08Х13), и обезуглероженной зоны (со стороны стали 16ГС). Разрушение биметалла всегда начинается со стороны стали
08Х13 за счет образования множества микротрещин в насыщенной карбидами зоне. С увеличением нагрузки (деформации) микротрещины увеличиваются в размерах и, в конечном
итоге, формируется одна или несколько трещин, которые распространяются в плакирующий слой и последовательно приводят к его
разрушению либо с последующим локальным
расслоением биметалла, деформацией основного слоя (сталь 16ГС) с вязким его разрушением,
либо без расслоения биметалла с хрупким разрушением основного слоя. В том случае, если
образовавшаяся в насыщенной карбидами зоне
трещина распространяется в основной слой,
вызывая его разрушение, плакирующий слой
разрушается вязко.
Причину такого поведения биметалла можно объяснить, если представить его в виде многослойного композиционного материала, состоящего из слоя (I) поврежденной эксплуатацией стали 08Х13 + слоя (II) с включениями
карбидов + обезуглероженного слоя (III) + слоя
(IV) поврежденной эксплуатацией стали 16ГС
(рис. 1). Каждый из слоев такого композита обладает собственными физико-механическими
свойствами и при совместном деформировании
(в силу различия модулей упругости) будет нагружен по-разному (при условии соблюдения
единства деформации). Наиболее нагруженным
является слой, насыщенный карбидами, он же
обладает минимальной пластичностью и,
IV
Рис. 1. Схема расположения слоев в биметалле сталь
08Х13 + сталь16ГС после его длительной эксплуатации
91
вследствие деформационного взаимодействия
компонентов слоистого композита, его разрушение должно произойти в первую очередь, что и
имеет место на практике.
Структурная неоднородность биметалла
проявляется и при его испытаниях на малоцикловую усталость при температуре 20–475 ºС
(рис. 2).
Рис. 2. Схема теплового и силового нагружения образцов
при испытании на малоцикловую усталость (пульсирующее
растяжение) при повышенных температурах
Установлено (рис. 3), что малоцикловая усталость основного слоя не может характеризовать малоцикловую прочность биметалла в целом, так как последняя ниже, чем у основного
слоя. Еще меньше малоцикловая усталость биметалла до момента образования микротрещин
в насыщенной карбидами зоне.
Анализ полученных экспериментальных
данных свидетельствует о том, что остаточная
деформация, при которой образуются микротрещины в насыщенной карбидами зоне, составляет 10–12 % и не зависит от уровня приложенного напряжения. Образование микротрещин имеет место при числе циклов значительно меньшем числа циклов полного разрушения биметалла.
На рис. 4 приведены расчетные (по ГОСТ
25859–83) и экспериментальные данные по малоцикловой усталости биметалла сталь 16ГС +
+ сталь 08Х13. Их сравнительный анализ показывает, что расчетная кривая малоцикловой
усталости с учетом запаса по числу циклов
nN = 10 (кривая 3, рис. 4) лежит ниже кривых
малоцикловой усталости, полученных по результатам экспериментов.
92
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
σА,
МПа
300
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
260
1
220
180
8 7
δ,
%
30
2
3
5
6 4
9
10
20
10
11
0
101
2
4 68 2 2
10
4 68 3 2
10
4 68 4 2
10
4 N,цикл.
Рис. 3. Кривые малоцикловой усталости и циклической пластичности биметалла сталь 16ГС + сталь 08Х13 при 475 ºС:
1, 2 – сталь 15ГС; 3, 4 – биметалл; 5, 6 – биметалл до разрушения плакирующего
слоя; 7, 8 – биметалл до образования микротрещин; 9 – область деформаций разрушения биметалла и основного металла; 10 – область деформаций разрушения плакирующего слоя; 11 – область деформаций до образования микротрещин
σА,
МПа
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
101
102
103
104
N, цикл
Рис. 4. Малоцикловая усталость:
1 – среднеквадратичная зависимость по выполненным экспериментам; 2 – нижняя
граница 95 % доверительного интервала по выполненным экспериментам; 3 – расчетные значения с учетом запаса по числу циклов nN = 10 (по ГОСТ 25859–83);
4 – расчетная область малоцикловой усталости, учитывающая фактические механические свойства при 475 ºС сталей 08Х13 и 16ГС
Выводы
1. Деформация металла корпуса сосуда или
аппарата при образовании гофра (выпучины,
вмятины) не должна превышать деформации
образования микротрещин в зоне соединения
слоев биметалла.
2. Расчет биметаллических аппаратов необходимо выполнять по кривым малоцикловой
усталости с учетом запаса по числу циклов
nN = 10 и температурной зависимости механических свойств основного и плакирующего
слоев.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа