Статья:

РАСЧЕТ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №12(235)

Рубрика: Технические науки

Выходные данные
Мазитова И.В. РАСЧЕТ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ // Студенческий форум: электрон. научн. журн. 2023. № 12(235). URL: https://nauchforum.ru/journal/stud/235/124796 (дата обращения: 27.02.2024).
Журнал опубликован
Мне нравится
на печатьскачать .pdfподелиться

РАСЧЕТ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Мазитова Ирина Валерьевна
магистрант, Набережночелнинский институт Казанского федерального университета, РФ, г. Набережные Челны
Саубанов Рузиль Рашитович
 

Аннотация. В статье рассмотрены пути решения проблемы, связанные с коррозийным растрескиванием. Реализован конкретный пример расчета по описанному алгоритму.

 

Ключевые слова: общая коррозия, трубопроводы гидроэнергетики, коррозионное растрескивание.

 

Введение. Высокая агрессивность сред, вызывающая коррозию внутренних технологических поверхностей энергетического оборудования, ежегодно приводит к значительному экономическому и экологическому ущербу.

Трубопроводы гидроэнергетики подвержены коррозионному износу, в результате чего срок их службы значительно сокращается. Проблема коррозии особенно актуальна в энергетике. Трубопроводы изготавливаются из низколегированной углеродистой стали. Теплоносителем является не просто чистая вода, а вода с растворенной в ней газами, которая способствует значительной коррозии металла в трубопроводах.

Следует подчеркнуть, что становится важным влияние напряженно-деформированного состояния на скорость коррозионно-эрозионного изнашивания. Например, деформация 1 % увеличивает скорость коррозии кремнистого железа в 0,01 % растворе серной кислоты на 53 % по сравнению с недеформированным металлом.

 

Основная часть. В настоящей работе представлен аналитический подход к определению ресурса элементов конструкций трубопроводов на основе теории металлических оболочек с учетом напряженно-деформированного состояния и коррозионного износа элементов.

Ранее изучалось коррозионное растрескивание металлов под напряжением. Это явление имеет место при определенных критических значениях растяжения, определяемых действующими напряжениями и потенциальной энергией. Напряжения меньше критических влияют на общую коррозию, вызывая растрескивания [3].

Одной из первых работ в этом направлении была статья Корнишина [2], в которой рассматривается совместное решение уравнения коррозии, представляющего собой линейную зависимость скорости коррозии от напряжения, и уравнений, описывающих напряженно-деформированное состояние оболочки переменной толщины. Далее система совместных уравнений, описывающая поведение оболочки в агрессивной среде, решается в конечных разностях по двухслойной явной схеме с шагом по времени.

В работе автор [2], рассматривает совместное решение уравнения коррозии, представляющего собой линейную зависимость скорости коррозии от напряжения, и уравнений, описывающих напряженно-деформированное состояние оболочки переменной толщины. Далее рассматривается система совместных уравнений, описывающая поведение оболочки в агрессивной среде, решается в конечных разностях по двухслойной явной схеме с шагом по времени.

На сегодняшний день существует ряд полуэмпирических моделей, аппроксимирующих коррозионный износ с учетом напряженного состояния.

Металлические конструкции широко применяются в современной технике, в частности, при изготовлении металлических элементов в энергетике. Это, в первую очередь трубопроводы, отводы и др. Эти элементы отличаются высокой прочностью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью.

Рассмотрим цилиндрическую металлическую оболочку при воздействии агрессивной среды [4]. Такие задачи очень важны при проектировании трубопроводов электростанций (коррозионное растрескивание).

Скорость изменения толщины в данной точке оболочки принимается в виде:

                                                                                       (1)

с начальным условием:

                                                                                                (2)

где х, у — нормальные координаты срединной поверхности оболочки;

 Т - температура;

 σ — функция, связывающая скорость изменения толщины оболочки с напряжённым состоянием в точке поверхности.

Обратите внимание, что F — известная функция, форма которой определяется из эксперимента, а  — конечный момент времени.

Мы изучаем влияние напряженного состояния на общую коррозию в предположении, что скорость коррозии является линейной функцией интенсивности напряжения.

Уравнения коррозионного износа записываются следующим образом:

                                                                                 (3)

Здесь  — интенсивность напряжений на поверхности биметаллической оболочки;

α и k — конечные коэффициенты;

φ(t)— безразмерная функция времени.

Как правило, в большинстве практических случаев φ(t) является постоянной или монотонно убывающей функцией. К уравнению необходимо добавить уравнения теории металлических оболочек. (1) или (3).

В результате получаем несвязанную задачу теории оболочек, с учетом которой к решению уравнения (1) можно применить конечно-разностную аппроксимацию по времени (3).

Таким образом, алгоритм решения начально-краевой задачи сводится к совместному решению уравнения (3) при начальных условиях в уравнении (2) и система уравнений для биметаллических оболочек в общем случае переменной толщины при соответствующих граничных условиях. Более того, на каждом временном шаге из уравнения (3) получаем численные значения толщины элемента конструкции, которые затем используются для построения сплайн-функций [1]. Затем решается система уравнений биметаллических оболочек, из решения которой определяются значения .

Критерием прекращения пошагового процесса является условие:

где  – предел текучести материала элемента конструкции.

Ресурс элементов конструкции атомных энергоблоков в целом определяется суммированием шагов по времени.

Получим уравнение равновесия металлической оболочки на основе вариационного принципа Лагранжа:

                                                                                                   (4)

Здесь  — изменение потенциальной энергии деформации оболочки;

  — вариация потенциала внешних сил, равная вариации работы внешних сил, взятой с противоположным знаком. Запишем выражение для изменения потенциальной энергии:

                                                                           (5)

где  — потенциальная энергия деформации единицы поверхности оболочки. Интегрирование распространяется на всю поверхность перехода (рис. 1): от  =  до  =  и от  =  до .

При анализе используются следующие допущения (рис. 1). Криволинейная система координат совпадает с линиями главных кривизн. Эта система координат является гауссовой системой координат, она ортогональна. Положение точки, не принадлежащей поверхности стыка, определяет координаты z-расстояния по нормали к точке от поверхности стыка (+, если она направлена по внутренней нормали к поверхности стыка).

 

Рисунок 1. Система криволинейных координат на недеформированной поверхности стыка

 

Движения u и v являются направлением касательных к  и , а w — в направлении нормали к поверхности стыка. Деформации поверхности стыка определяются относительными удлинениями  и  в обоих направлениях  и , а также сдвигом изменением угла между касательными к прямым  и  (до деформации   , после  -  ).

Уравнение (5) можно представить следующим образом:

                                                     (6)

Обозначим через:

 проекцию внешних поверхностных сил, отнесенных к единице поверхности стыка, на направление касательных к линиям кривизны  и  и нормали к поверхности стыка;

  ,   ,  ,  нормальные, поперечные, перерезывающие силы и изгибающий момент для сечения  = const;

  ,   ,  ,  то же для сечения  = const.

Тогда вариация потенциала внешних сил равна:

                                          (7)

Подставляя уравнения. (6) и (7) в уравнении. (4) получаем:

                                        (8)

Здесь  и  — поперечные силы, возникающие в оболочке:

;                                                                                (9)

                                                                              (10)

Последние четыре члена в уравнении (8) есть работа сосредоточенных сил вдоль ребер оболочки  = const,  = const.

Заключение. Разработана теория коррозионного износа конструктивных элементов гидроэнергетики с учетом напряженного состояния и коррозионного износа.

Многочисленные факторы, влияющие на скорость процесса коррозионного изнашивания (степень агрессивности сред, температура, влажность и др.), учитываются в обобщенном виде путем составления дифференциального уравнения скорости изменения толщины элемента.

Разработан алгоритм решения задачи коррозионного износа металлических трубопроводов атомной энергетики с учетом напряженно-деформированного состояния элементов.

 

Список литературы:
1. Альберг Дж., Нильсон Э., Уолш Дж. Теория сплайнов и ее приложения. М.: Издательство «Мир»; 1972. стр. 318.
2. Корнишин М.С., Карпунин В.Г., Клещев С.И. К расчету плит и обечаек с учетом общей коррозии. В: Труды X All. Конференция по теории оболочек и пластин. Том. 2. Тбилиси: Изд-во Мецниреба; 1975. стр. 71-78 19 Коррозионный износ трубопроводов и оборудования в сложном напряженно-деформированном состоянии DOI: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.92188 
3. Пухлый В.А. Аналитический метод решения краевых задач теории оболочек. В: Материалы XIII Всесоюзн. Конференция по теории пластин и оболочек. Часть IV-Таллинн. Издательство ТПИ; 1983. С. 101-107.
4. Пухлый В.А., Нусуев В.Н., Семененко В.И. Коррозионностойкие вентиляторы с полимерным защитным покрытием. В: Повышение эффективности вентиляторных установок. М.; 1982. С. 111-116