К ВОПРОСУ О ПРОГНОЗИРОВАНИИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЯЕМОГО НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
Зальцман Г.К., Воробьев И.А., Воробьев А.А.
(ПГУПС, г.Санкт – Петербург, РФ)
Some features forecasting of a residual resource of a vessel of high pressure are considered.
Сосуды высокого давления являются распространенными элементами энергетических систем. К ним предъявляются жесткие требования по обеспечению эксплуатационных характеристик и высокой надежности.
Для оценки срока продления службы воздухосборников необходимо определить его остаточный ресурс с учетом имеющихся данных по нагруженности, коррозии, изнашиваемости и др.
Определение остаточного ресурса согласно /1/ проводится по результатам технического диагностирования, расчетов прочности и усталостной прочности.
Для оценки прочности воздухосборника В-3,2, отслужившего назначенный срок службы 30 лет, с учетом утонения его элементов при коррозийном износе был выполнен расчет прочности с использованием метода конечных элементов. Используемые для расчета конечные элементы имеют квадратичную функцию формы, что позволило с высокой точностью определить напряжения, возникающие в элементах колеса (особенно в зонах концентрации напряжений). Используемый конечный элемент имеет три степени свободы в каждом узле (перемещения вдоль осей x, y, z). Элемент поддерживает пластичность, гиперэластичность, ползучесть, большие деформации и др. Геометрия элемента показана на рис. 1.
Рисунок 1 - Геометрия конечного элемента
Для построения математической модели напряженно-деформированного состояния колеса воспользовались прямым методом жесткости.
Расчет проводился в несколько этапов, для каждого этапа рассматривалось различная степень коррозийного износа. В результате проведенного расчета определены максимальные напряжения в элементах воздухосборника В-3,2 (на рис.2 представлено напряженно-деформированное состояния воздухосборника В-3,2).
Рисунок 2- Напряженно деформированное состояние воздухосборника с номинальными толщинами при нагружении испытательным давлением
В результате поэтапного расчета получены зависимости напряжений от утонений, возникающих при коррозийном износе в элементах воздухосборника (рис.3-4). Для обеспечения прочности воздухосборника при нагружении испытательным давление коррозийный износ не должен превышать 0,547 мм.
Рисунок 3 - Зависимость напряжений в обечайке корпуса воздухосборника В-3,2 от коррозийного утонения при нагружении рабочим давлением 0,8 МПа
Рисунок 4 - Зависимость напряжений в обечайке от коррозийного утонения при нагружении испытательным давлением 1,15МПа
После определения минимально допускаемых толщин по критерию прочность была проведена оценка усталостной прочности (согласно требованиям /2/) по коэффициенту запаса сопротивления усталости по формуле
, (1)
где sa,N - предел выносливости (по амплитуде) для контрольной зоны при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов N0 =107; sa,э - величина амплитуды динамического напряжения условного симметричного цикла, приведенная к базовому числу циклов N0, эквивалентная повреждающему воздействию реальному режиму эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы.
При определении sa,э использовалась формула
, (2)
где m- показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах; NcI- суммарное число циклов изменения внутреннего давления за расчетный срок службы вагона; NcII - суммарное число циклов продольной ударной силы за расчетный срок службы вагона; N0-базовое число циклов; sэaiI-уровень амплитуд напряжений от внутреннего давления в интервале i, приведенных к эквивалентному симметричному циклу; sэaiII -уровень амплитуд напряжений от действия испытательного давления в интервале j, приведенные к эквивалентному симметричному циклу; pi,jI,II-частость действия уровня амплитуд sэaiI,sэaiII, соответственно; n,l - число интервалов напряжений для внутреннего давления и испытательного давления соответственно.
Уровень амплитуд напряжений определялся по результатам расчета прочности исходя из данных по реальным условиям эксплуатации воздухосборника В-3,2, с учетом изменения уровня амплитуд при коррозийном износе. Коррозийный износ по результатам технического диагностирования для воздухосборника В-3,2 составляет 0,01мм в год, в расчете рассматривалось равномерное утонение всех элементов воздухосборника при коррозии. Расчет амплитуд производился по известной формуле
, (3)
где smax,smin - соответственно максимальная и минимальная амплитуда цикла изменения внутреннего давления.
Для первого года эксплуатации максимальная и минимальная амплитуда принималась равной полученным в результате расчета прочности напряжениям для соответствующего внутреннего давления, для каждого последующего года службы амплитуды возрастали согласно полученным зависимостям напряжений от коррозийного износа. Определенные по формуле (3) уровни амплитуд от изменения внутреннего давления, приводились к эквивалентному симметричному циклу.
Количество циклов изменения внутреннего давления при расчете усталостной прочности принималось равным 4380 циклов в год (из расчета, что в сутки внутренне давление в воздухосборнике падает от 0,8МПа до 0,5 МПа 12 раз).
Проведенные исследования позволили оценить остаточный ресурс воздухосборника В-3,2, отработавшего назначенный срок службы 30 лет. Зависимость остаточного ресурса воздухосборника В-3,2 от толщины, определенной по результатам технического диагностирования представлена на рис. 5. Полученные в результате расчетов данные имеют место для воздухосборников В-3,2, работающих в аналогичных условиях эксплуатации и не имеющих локальных повреждений корпуса (выпучин, вмятин и др.)
Рисунок 5 - Зависимость остаточного ресурса воздухосборника В-3,2 от толщины, определенной по результатам технического диагностирования
Литература
2. Методика прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов по изменению параметров технического состояния/Управление промышленной безопасности и охраны труда Министерства топлива и энергетики Российской Федерации. - М., 1993. -84 с.