Диссертация (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 8

Это так называемая концентрация погонных нагрузок[18]. Вопросам её учета посвящены работы [18,93]. Податливость соединяемыхдеталей приводит к неравномерному распределению нагрузки по длине швов. Врезультате одни участки шва оказываются недогруженными, а другие перегружены. Примерами влияния податливости являются неравномерность распределения усилий между сварными точками многорядного нахлесточного соединения, выполненного контактной точечной сваркой, а также неравномерностьнагрузки по длине фланговых швов. В перегруженных зонах возникает пластическая деформация, которая в условиях циклической нагрузки приводит кнакоплению повреждений металла и зарождению трещин [94].Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) сварного соединения с учетом рабочей нагрузки и технологической наследственности для выявления факторов, ограничивающих ресурс целесообразно проводить с помощью компьютерного моделирования методом конечных элементов.

Такой анализ позволяет установить механизм усиления для дальнейшего целенаправленного поиска эффективных технических решений, направленных на повышениересурса муфт. Для поиска решений целесообразно применить численное параметрическое исследование усиливающих конструкций муфт.Тем не менее, комплекс процессов, протекающих при сварке и работеконструкции в зоне корня углового шва, достаточно сложен и подвержен влиянию большого числа случайных факторов. Структурные и фазовые превращения при повторном нагреве вызывают изменение свойств материалов и могут45приводить к металлургическим дефектам (горячим и холодным трещинам) иразрушению, несвязанному с условиями эксплуатации.

Непостоянная величиназазора по периметру сварного соединения приводит к изменению форму шва.Изменение величины зазора приводит к непостоянным условиям формированияшва, что в сочетании со случайным характером условий подготовки кромок может вызвать непровар. Экспериментальный подход позволяет получать надежные результаты при решении таких задач, а также является средством проверкиадекватности разработанных моделей и результатов расчета.В связи с этим важен единый методический подход, позволяющий выявить и устранить ожидаемые проблемы на стадии проектирования. Предлагаемая методика разработки долговечных ремонтных конструкций включает рядэтапов.1. Расчет и анализ НДС сварной муфт и тройников для выявления узкихмест – причин низкого ресурса.

При этом важен правильный выбор критериевоценки опасных мест в соответствии с условиями эксплуатации конструкции.2. Определение наиболее эффективных способов усиления муфт. Выборокончательной формы и основных размеров производится по результатам параметрического исследования – численных экспериментов на компьютерной модели ремонтной конструкции.3. Оценка влияния технологии изготовления и монтажа на прочность иресурс. Наиболее важным и сложным элементом технологии является выполнение сварных соединений. Наряду с расчетными методами используются экспериментальные испытания образцов-имитаторов сварных соединений.4. Экспериментальная проверка принятых технических решений путемпроведения натурных испытаний.Методика носит расчетно-экспериментальный характер.

Основным звеном являются компьютерное моделирование. Применяемые в расчетах моделидолжны адекватно описывать поведение материала и его предельные состоянияв условиях сложного знакопеременного нагружения. Для этого необходимо:1) проведение расчетов ресурса на основе уравнения малоцикловой усталости (в соответствии с условиями эксплуатации ремонтных муфт);462) определение направления роста трещины, указывающего ориентациюнаиболее слабого сечения, требующего укрепления.Оценка влияние технологии необходима в случае изменения технологии(например, при переходе к другому способу сварки) или изменении марки стали.В связи с ответственностью и большим объемом применения муфт проводят приемочные испытания натурных образцов муфт, установленных на дефектный участок трубопровода. Поэтому включение в методику натурных испытаний имеет обязательный характер.Результаты расчетных и экспериментальных исследований должны обеспечить выбор рационального сочетания параметров конструкции и технологииремонта с учетом сложности их обеспечения и достигаемого повышения долговечности.2.2.Методика численного анализа напряженного состоянияремонтных конструкций2.2.1.

Методика моделирования напряженного состояния оболочек,работающих под давлением в ПК «Сварка»Внутренняя часть коммерческих программных конечно-элементных комплексов (ANSYS, NASTRAN и др.) является для пользователя «черным ящиком», который нелегко приспособить к решению всех возникающих задач, непредусмотренной разработчиками [66].Поэтому в данной работе применен авторский программный комплекс(ПК) «Сварка», разрабатываемый на кафедре технологий сварки и диагностикиМГТУ им. Н.Э. Баумана с 1975 года [95]. ПК «Сварка» предназначен для решения задач по определению напряженно-деформированного состояния сварныхконструкций под действием эксплуатационных нагрузок и вследствие тепловоговоздействия на металл.Для расчета напряжений используются квадратичные конечные элементы:плоский 8-ми узловой и объемный 20-ти узловой (Рис. 2.1).

Решение прикладной задачи разделено на этапы. Первый этап заключаются в подготовке данных47для решения: построении геометрической модели, задании свойств материала играничных условий.а)б)Рис. 2.1.Типы конечных элементов, применяемых в ПК «Сварка»:а) – плоский 8-узловой элемент, б) – объемный 20-узловой элементСоздание геометрической модели начинается, как правило, с построенияплоского сечения. Для этого в ПК предусмотрен интерактивный графическийредактор. Объемная модель строится автоматически путем выдавливания изплоского контура по прямой или круговой траектории. Для получения болеесложной геометрии модели предусмотрена её сборка из более простых частей.Программа имеет базу данных с набором готовых типовых частей сварных конструкций, каждая из которых допускает настройку по заданным размерам, послечего она вставляется в создаваемую модель.

При этом предусмотрены операциисмещения, вращения и симметричного отражения повторяющихся частей модели. Все эти части отображаются графически на экране в виде «дерева сборки».Свойства материалов загружаются из базы данных и редактируются с помощью диалоговой панели (Рис. 2.2), обеспечивающей их наглядное представление.Теплофизические, механические и прочие свойства задаются в виде таблиц в зависимости от температуры. Задание свойств начинается с выбора процесса. Процесс «Деформация» (поз. 1) означает моделирование напряженногосостояния и позволяет редактировать механические свойства материала. Нажатие кнопки на панели изменяет её цвет на светло-зеленый, что означает активное состояние выбранного процесса.

Эта же кнопка управляет схемой интегри-48рования по объему конечного элемента (цифра на кнопке «Деформация 2» или«Деформация 3» означает количество точек интегрирования по Гауссу в элементе по каждой оси).1234Рис. 2.2.Панель «Редактирование таблиц свойств материала»Поз. 2 отображает перечень необходимых механических характеристикдля решения задачи. Зависимость выбранной характеристики от температурыпредставлена в виде таблицы (поз. 3) и графика (поз.4). Диалоговая панель позволяет редактировать значения в таблице, сделанные изменения свойств сразуотображаются на графике.Для условий текучести и вязкого разрушения материала предусмотренадополнительная настройка (Рис.

2.3). Условие текучести зависит от двух факторов: температуры и пластической деформации. Уровень напряжения текучестидля конкретных условий определяется произведением двух функций: зависимости предела текучести от температуры  T T  и зависимости безразмерного коэффициента упрочнения от пластической деформации k  пл  . Таблица k  пл появляется при нажатии соответствующей кнопки на панели (поз.

3 на Рис.2.3,а).49213Коэффициент упрочненияКоэффициент пластичностиИнтенсивность пластической деформации,[%]Объемность НДСа)б)Рис. 2.3.Настройка коэффициентов упрочнения (а) и пластичности (б)i1Т32iРис. 2.4.Модели поведения материала, реализованные в ПК «Сварка»: 1 – идеальноупругий, 2 – идеально-упругопластический (без упрочнения), 3 –с упрочнением(  i ,  i - интенсивности напряжения и деформации соответственно)Предусмотрены модели идеально-упругопластического материала и материала с упрочнением.

Задание высокого значения предела текучести приводит кмодели идеально-упругого материала. Поведение моделей иллюстрирует Рис.2.4. Критерий вязкого разрушения (предельная пластичность) также задаетсякак произведение функции пластичности от температуры  кр T  при фиксированном значении показателя объемности НДС j  0,33 и безразмерного коэф-50фициента пластичности, зависящего от показателя объемности НДС k  j  . Таблица k  j  также появляется при нажатии соответствующей кнопки (поз.