Оцінювання роботоздатності та довговічності елементів трубопроводів, підданих дії статичних навантажень та корозійних середовищ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

 

МАЛИК Олег Мирославович

 

УДК 620.191.22

 

 

01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла

 

 

 

Львів – 2007

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник СТАЩУК Микола Григорович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор НИКИФОРЧИН Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів), завідувач відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів доктор технічних наук, професор КАРПІНОС Борис Сергійович, Київський інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (Київ), провідний науковий співробітник відділу міцності елементів конструкцій з функціональними покриттями

Провідна установа: Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України, відділ термомеханіки (Львів).

Захист відбудеться “ 25 ” квітня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

 

 

Актуальність теми. Дослідження явищ локальної корозії матеріалів, що використовують для виготовлення деталей машин та елементів конструкцій, які контактують з поверхнево-активними середовищами, вимагає досконалого вивчення впливу напружено-деформованого стану матеріалу на його взаємодію з середовищем. Зокрема, такі дослідження стають необхідними та актуальними для визначення залишкового ресурсу об’єктів тривалої експлуатації. Численними експериментами доведено, що руйнування елементів конструкцій та деталей машин під впливом сумісної дії механічних навантажень і корозійних робочих середовищ обумовлене рядом фізико-хімічних локалізованих процесів утворення та розвитку тріщиноподібних дефектів. При цьому такі процеси найчастіше протікають не тільки в місцях підвищеної концентрації напружень (отвори, вирізи, щілини та інші технологічні та конструктивні концентратори напружень), але й в околі зварних швів, де є залишкові напруження. Під час експлуатації концентрація напружень суттєво впливає на взаємодію з робочими середовищами. Тому під час оцінювання роботоздатності елементів конструкцій виникає гостра потреба в розробці ефективних методів аналізу цих явищ і формулюванні адекватних розрахункових схем для інженерної практики. Сьогодні такі методи розвинуті в літературі недостатньо, особливо, коли йдеться про врахування специфіки взаємодії робочого середовища з деформованими матеріалами.

У зв’язку з цим, визначення впливу напружень на взаємодію конструкційних металів з робочими середовищами в аналітико-експериментальному плані є актуальною, важливою науковою та прикладною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з такими науково-дослідними роботами, які виконувалися у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно з тематичними планами Національної академії наук України, в яких дисертант був виконавцем:

тема НД-10/208 “Дослідження корозійного руйнування зварних з’єднань з урахуванням дії локальних чинників концентрації напружень та робочого середовища в зоні зварного шва і розробка методів оцінки їх довговічності” (номер державної реєстрації – 0100U004860);

тема НД-10/253 “Дослідження явищ локальної корозії під напруженням матеріалів пароводяного тракту енергоблоків при підвищених температурах робочого середовища та розробка рекомендацій щодо запобігання їх корозійно-механічного розтріскування” (номер державної реєстрації – 0103U003342).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка розрахунково-аналітичного методу для оцінювання взаємозв’язку поля механічних напружень з локальною корозійною пошкоджуваністю в околі заповнених середовищами концентраторів напружень типу порожнин, раковин, щілин та зварних швів елементів трубопроводів.

Досягнення поставленого завдання передбачало розв’язання таких задач:

розвинути аналітичний метод, що враховує вплив напружено-деформованого стану на інтенсивність та локалізацію корозійного ураження матеріалів в околі різних концентраторів напружень;

встановити кількісний взаємозв’язок поля механічних напружень із локальним розподілом електродних потенціалів і корозійних струмів у металі з заповненими середовищем концентраторами напружень, зокрема такими, як еліптичний отвір, тріщина, а також зварний шов;

встановити розміри та розташування потенційно небезпечних до корозійної пошкоджуваності ділянок в деформівному тілі залежно від геометрії концентраторів напружень і властивостей середовища, що їх заповнює;

оцінити ресурс трубопровідних елементів, враховуючи механічне навантаження та корозійні чинники.

Об’єкт дослідження: пружно-деформівне тіло з концентраторами напружень, заповненими середовищем, а також елементи конструкцій зі зварним швом, що експлуатуються в контакті з робочим середовищем.

Предмет дослідження: роботоздатність та довговічність елементів конструкцій під дією заданого навантаження та локальних електрохімічних процесів, ініційованих напружено-деформованим станом металу під час його взаємодії із корозійним середовищем в околі різноманітних концентраторів напружень.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є застосування основних підходів теорії пружності, термодинаміки нерівноважних процесів та електрохімії. На цій основі:

побудовано основні рівняння рівноважного стану та сформульовано граничні задачі для вивчення взаємодії напруженого металу із середовищем;

встановлено вплив зміщення електродного потенціалу, обумовленого напружено-деформованим станом, на інтенсивність струму корозії на поверхні металу в заповнених середовищем концентраторах напружень;

розв’язано задачі про вплив напружено-деформованого стану на розмір корозійних пошкоджень біля деяких типових концентраторів напружень (еліптична щілина, зварний