\
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СЕГМЕНТА СТЕНКИ ДВУХСЛОЙНОГО КОЛОННОГО АППАРАТА С УЧЕТОМ ДЕФЕКТА ТИПА РАССЛОЕНИЯ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS
, аспирант, , аспирант, Суважбаева государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Российская Федерация
Современные нефтеперерабатывающие предприятия представляют собой комплекс сложных технологических установок, относящихся к опасным производственным объектам. Наиболее ответственным оборудованием технологических установок являются колонные аппараты, представляющие из себя вертикальные сосуды, работающие под давлением. Обеспечение их надежной и безопасной работы с каждым годом становится все более актуальной задачей, так как значительная часть данного типа оборудования достигла физического и морального износа, отработав нормативный срок службы. Вследствие этого их дальнейшая эксплуатация возможна только после тщательного обследования технического состояния, установления работоспособности и определения остаточного ресурса.
Известно, что в процессе длительной эксплуатации аппаратов колонного типа, изготовленных из углеродистых сталей, происходит изменение структуры, прочностных и пластических свойств металла, приводящее к его охрупчиванию. Процесс охрупчивания и, как следствие, повышение вероятности трещинообразования могут привести к авариям или инцидентам при эксплуатации сосудов, работающих под давлением.
Одним из дефектов в длительно эксплуатируемых двухслойных колонных аппаратах является расслоение. Расслоение - это вытянутые, плоскостные нарушения сплошности материала различной величины, расположенные внутри стенки сосуда вдоль направления соединения слоев [1]. Согласно [2], расслоения являются недопустимым дефектом, поэтому необходимо знать наиболее вероятные места их появления и степень влияния на общее напряженно-деформированное состояние (НДС). Поэтому исследования, направленные на определение НДС колонного аппарата с целью выявления областей повышенных напряжений, а также моделирование дефектов типа расслоений в данных областях, являются актуальными.
В качестве объекта исследования была выбрана ректификационная колонна К-3 установки термического крекинга одного из нефтеперерабатывающих заводов г. Уфы, предназначенная для отделения от остатка висбрекинга жирного газа, бензина и флегмы. Колонна была введена в эксплуатацию в 1983 г. Согласно регламенту установки, рабочее давление в колонне до 1,5 МПа, температура низа до плюс 400 0С, температура верха до плюс 200 0С. Материал корпуса и днища 16ГС + 08Х13. Исполнительная толщина стенки корпуса – 37 мм (в том числе плакирующий слой 5 мм), днища – 34 мм, диаметр аппарата – 2400 мм.
Расчет НДС аппарата колонного типа проводился с использованием программного комплекса ANSYS с учетом геометрических особенностей (люков и штуцеров), рабочих параметров и собственного веса. При создании конечно-элементной модели (КЭМ) использовался шестигранный двадцатиузловой элемент SOLID95 (рисунок 1). Расчетная КЭМ состояла из 29388 элементов и 58594 узлов. Крепление опоры колонного аппарата к фундаменту моделировалось путем ограничения перемещений узлов, принадлежащих нижней плоскости опоры, в вертикальном направлении. Также на узлы нижней плоскости опоры, лежащие на оси X, прикладывали ограничение перемещений вдоль оси Z, и соответственно на узлы, лежащие на оси Z, прикладывали ограничение перемещений вдоль оси X.
Рисунок 1 - Конечно-элементная модель колонного аппарата
Результаты расчета представлены на рисунке 2. Из-за разности температур верха и низа колонного аппарата и собственного веса, распределение напряжений по высоте колонны неравномерное. Видно, что наиболее нагруженной частью является кубовая часть аппарата, где максимальные эквивалентные напряжения по III теории прочности достигают 135 МПа (рисунок 3).
Рисунок 2 - Распределение напряжений по колонному аппарату
Рисунок 3 – Распределение напряжений в наиболее нагруженной
кубовой части колонного аппарата К-3
На следующем этапе определяли влияние дефекта типа расслоения на изменение напряжений в обечайке. С целью упрощения, идеализации и сокращения времени для построения моделей наиболее нагруженная кубовая часть колонны моделировалась как двухслойное кольцо. Общая высота кольца обечайки была принята 1000 мм.
В расчетах были использованы свойства материала основного слоя 16ГС и плакирующего 08Х13, приобретенные в процессе длительной эксплуатации. Для основного слоя: С=461 Дж/кг×К, Е=184 ГПа, µ=0.3, α=1.65×10-5 -0С, λ=65 Вт/м2×К, ρ=7850 кг/м3; для плакирующего: С=500 Дж/кг×К, Е=226 ГПа, µ=0.3, α=1.75× 10-5 1/0С, λ=46.5 Вт/м2×К, ρ=7900 кг/м3. Для расчета было принято давление, равное 4,2 МПа, соответствующее эквивалентному напряжению в наиболее нагруженной области, полученным из первоначального расчета НДС колонного аппарата. Температура кубовой части колонного аппарата была принята плюс 400 0С.
В середине кольца моделировалось расслоение в виде полости длиной (δ) от 10 до 100 мм и шириной раскрытия (Δ) от 0,5 до 1 мм. Для создания КЭМ использовался шестигранный 20-узловой элемент SOLID95 (рисунок 4). В области расслоения для более точного расчета напряженного состояния было проведено сгущение конечно-элементной сетки. Задание нижнего закрепления кольца проводилось аналогично закреплению опоры колонного аппарата.
Рисунок 4 - Конечно-элементная модель кольца цилиндрической обечайки
с дефектом типа расслоения
На рисунке 5 представлен один из результатов расчета. При рассмотрении распределения полей напряжений в стенке оболочки было определено, что наиболее напряженные участки наблюдаются в области раскрытия дефекта.
Рисунок 5 – Распределение напряжений по цилиндрической обечайке
с учетом дефекта типа расслоения шириной раскрытия 1 мм и длиной 100 мм
По полученным расчетам была построена зависимость максимальных эквивалентных напряжений в области дефекта типа расслоения от его геометрических параметров (рисунок 6). Видно, что при расслоении длиной 75 и 85 мм и ширине раскрытия 1 и 0,5 мм соответственно эквивалентные напряжения достигают предела текучести основного слоя, равного для этих условий 288 МПа, а при расслоении длиной 100 мм – предела текучести плакирующего слоя, равного 345 МПа.
Рисунок 6 - Зависимость максимальных эквивалентных напряжений
цилиндрической обечайки от размера расслоения (δ) и раскрытия (Δ)
Таким образом, проведенные расчеты показали, что наличие расслоения приводит к существенному увеличению напряжений. Поэтому на стадии проектирования на основании расчета напряженно-деформированного состояния колонного аппарата необходимо составление карты зон повышенных напряжений, являющихся потенциальными зонами образования дефектов. Эти сведения могут быть использованы инженерами служб диагностики при назначении точек контроля неразрушающими методами.
Список литературы
1. Атлас дефектов стали / пер. с нем. ; ред. . - М.: Металлургия, 19с.;
2. ГОСТ Р . Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия. - М.: Госстандарт России, 2007. – 132 с.
