POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY INSTYTUT KONSTRUKCJI I EKSPLOATACJI MASZYN Rozprawa Doktorska Raport serii PRE 2/07 mgr in. Janusz Dudek METODA ODPRANIA MECHANICZNEGO NACZY CINIENIOWYCH Promotor: prof. dr hab. in. Eugeniusz Rusiski, prof. zw. PWr. Recenzenci: prof. dr hab. in. Andrzej Buchacz, prof. zw. Pl. dr hab. in. Tadeusz Smolnicki Wrocław, czerwiec 2007

2 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 2 SPIS RZECZY 1. Wstp Rozpoznanie literaturowe Cel i teza pracy Sformułowanie tezy Cele pracy Schemat blokowy postpowania numeryczno - dowiadczalnej metody odprania mechanicznego Budowa modelu matematycznego opisujcego zjawisko odprania mechanicznego Zachowanie si naczynia cinieniowego w zakresie sprystym Osignicie granicy plastycznoci Zachowanie si naczynia cinieniowego w stanie plastycznego płynicia Numeryczna symulacja odprania naczynia cinieniowego Budowa modelu geometrycznego i dyskretnego Warunki brzegowe i obcienia Model obliczeniowy Wyniki numerycznej symulacji Podsumowanie wyników oblicze numerycznych Przeprowadzenie bada eksperymentalnych Stanowisko pomiarowe Pomiar odkształce Pomiar cinie Pomiar przyrostu objtoci Ogldziny zewntrzne po przepraniu Wyniki bada Podsumowanie wyników bada eksperymentalnych Porównanie otrzymanych wyników z oblicze analityczno numerycznych z wynikami bada eksperymentalnych Wnioski kocowe Literatura Oznaczenie waniejszych wielkoci i zmiennych wystpujcych w pracy... 96

3 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych WSTP Standardowa próba cinieniowa jako dowiadczalna metoda badania wytrzymałoci i szczelnoci niektórych urzdze cinieniowych była stosowana, od co najmniej kilkudziesiciu lat i z powodzeniem jest wykorzystywana do dzi. O wielkim powodzeniu tego rodzaju badania decyduje przede wszystkim łatwo jej wykonania i jednoznacznego zinterpretowania jego wyniku. Stosowanie powyszego badania jest obligatoryjne dla kadego nowo wybudowanego urzdzenia przed oddaniem do eksploatacji, oraz w trakcie okresowych przegldów stanu technicznego. Na terenie Rzeczypospolitej Polskiej obowizek ten wprowadzaj Dyrektywa Unii Europejskiej 97/23/UE [15], oraz przepisy Urzdu Dozoru Technicznego dla urzdze Cinieniowych WUDT/UC/2003 [78], okrelajce warunki przeprowadzania prób takie jak: czas, cinienie, rodzaj czynnika próbnego, czstotliwo badania, kryteria uznawania wyniku próby. Podstawow zalet tego typu badania jest moliwo dowiadczalnego potwierdzenia wytrzymałoci i szczelnoci uzyskane pod wpływem cinienia wewntrznego, którym przecia si dane urzdzenie cinieniowe w czasie quasistatycznego, kontrolowanego procesu. Inne rodzaje bada takie jak: ogldziny zewntrzne i wewntrzne, badania nieniszczce połcze spawanych, badania penetracyjne, pomiary gruboci daj nam tylko obraz stanu technicznego wybranych fragmentów naczynia cinieniowego. Zazwyczaj s to fragmenty (obszary) najistotniejsze z punktu widzenia zapewnienia bezpieczestwa i prawidłowej eksploatacji, jednak nie daj pełnego obrazu o stanie technicznym urzdzenia. Dotychczas powszechnie stosowane s standardowe testy cinieniowe. Standardowa próba cinieniowa charakteryzuje si tym, e naprenia (w czasie próby) w materiale nie przekraczaj granicy plastycznoci, a powstajce odkształcenia s spryste (nietrwałe). Aby dokona analizy stanu napre i odkształce, panujcych w materiale elementu w czasie tej próby, wystarczy kontrolowa jeden parametr cinienie. Standardowa próba cinieniowa nie przynosi podanego skutku w postaci obnienia napre własnych. W stanie sprystym, po odcieniu materiał powraca do swego pierwotnego stanu. Próby standardowe s powszechnie stosowane podczas odbiorów i okresowych przegldów urzdze cinieniowych. Dla niektórych urzdze przeprowadzenie próby standardowej jest obligatoryjne przed wprowadzeniem ich do eksploatacji. Dla testów standardowych (w zakresie sprystym) jako czynnika próbnego do badania wytrzymałoci i szczelnoci uywa si zazwyczaj takich cieczy jak: woda, metanol, itp. (próba hydrauliczna) lub powietrza (próba pneumatyczna). Testy specjalne powinny by wykonywane tylko przy uyciu cieczy ze wzgldu na zapewnienie bezpieczestwa podczas próby. Nieciliwo cieczy powoduje, e w przypadku ujawnienia wady krytycznej (np. pknicia materiału, spoiny itp.) wyzwalajca si energia zgromadzona w cieczy jest na tyle niewielka, e nie powoduje zagroenia dla otoczenia oraz sprawia tylko lokalne naruszenie konstrukcji, zazwyczaj nadajce si naprawi. Uycie powietrza jako czynnika próbnego stwarza zagroenie, polegajce na tym, e w przypadku zaistnienia nieszczelnoci lub wady dochodzi do jej lawinowego, niepowstrzymanego rozrostu pod wpływem gwałtownie rozprajcego si gazu (eksplozji). Ze wzgldu na ciliwo powietrza, energia sprysta, zgromadzona w spronym gazie, jest nieporównywalnie wiksza od energii w spronej cieczy. Dlatego obecnie kierunki rozwoju metod i technik odprania mechanicznego bazuj na uyciu cieczy jako czynnika próbnego, bez wzgldu na to, jaki czynnik roboczy jest uywany w czasie eksploatacji.

4 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 4 Do projektowania, wytwarzania i oceny zgodnoci urzdze cinieniowych i ich zespołów, dla których najwysze dopuszczalne cinienie jest wiksze ni 0,5 bara odnosi si Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dn. 29 maja 1987 r. w sprawie zblienia przepisów prawnych pastw członkowskich dotyczcych urzdze cinieniowych [15]. Uyte w niniejszej rozprawie definicje pochodzce z Dyrektywy [15] oznaczaj: - urzdzenia cinieniowe - oznaczaj zbiorniki cinieniowe, rurocigi, osprzt zabezpieczajcy i osprzt cinieniowy. W majcych zastosowanie przypadkach, do urzdze cinieniowych nale elementy zamocowane do czci cinieniowych, takie jak kołnierze, króce, złczki, podpory, uchwyty transportowe, itp., - zbiornik - oznacza powłok zaprojektowan i zbudowan w celu pomieszczenia płynów pod cinieniem wraz z jej bezporednimi przyłczami a do miejsca połczenia z innym urzdzeniem. Zbiornik moe składa si z kilku komór, - rurocig - oznacza elementy rurowe przeznaczone, po ich wzajemnym połczeniu w układ cinieniowy, do przesyłania płynów. Rurocig obejmuje w szczególnoci rur lub układ rur, kształtki rurowe, złczki, kompensatory, przewody elastyczne lub, tam gdzie to właciwe, inne elementy cinieniowe. Za rurocigi naley uwaa take wymienniki ciepła składajce si z rur, przeznaczone do schładzania lub ogrzewania powietrza, - osprzt zabezpieczajcy - oznacza urzdzenia przeznaczone do zabezpieczania urzdze cinieniowych przed przekroczeniem dopuszczalnych parametrów granicznych, - osprzt cinieniowy - oznacza urzdzenia majce powłoki cinieniowe i wykonujce funkcje eksploatacyjne, - zespół - oznacza kilka urzdze cinieniowych zmontowanych przez wytwórc w sposób tworzcy zintegrowan i funkcjonaln cało, - cinienie - oznacza cinienie wzgldem cinienia atmosferycznego, tj. nadcinienie. W konsekwencji podcinienie wyraane jest jako warto ujemna, - najwysze dopuszczalne cinienie PS - oznacza najwysze cinienie, dla którego urzdzenie zostało zaprojektowane, okrelone przez wytwórc. Cinienie to okrelane jest w miejscu podanym przez wytwórc. Powinno to by miejsce podłczenia urzdze zabezpieczajcych i/lub ograniczajcych, lub górna cz urzdzenia, lub jeli miejsca te nie s odpowiednie, dowolne inne okrelone miejsce, - najwysza/najnisza dopuszczalna temperatura TS - oznacza najwysz/najnisz temperatur, dla której urzdzenie zostało zaprojektowane, okrelon przez wytwórc, - pojemno (V) - oznacza wewntrzn pojemno komory, z wyłczeniem pojemnoci zainstalowanych na stałe elementów wewntrznych, łcznie z pojemnoci króców do ich pierwszego podłczenia lub spoiny, - wymiar nominalny (DN) - oznacza liczbowe oznaczenie wymiaru wspólnego dla wszystkich elementów w układzie rurocigu, innych ni elementy oznaczane przez rednice zewntrzne lub wielko gwintu. Jest to umowna zaokrglona liczba uywana jako odniesienie, luno powizana z wymiarami wykonawczymi. Wymiar nominalny jest okrelany literami DN i nastpujc po nich liczb, - płyn - oznacza gazy, ciecze i pary w postaci czystej, a take ich mieszaniny. Płyn moe zawiera zawiesiny ciał stałych, - połczenia nierozłczne - oznaczaj połczenia, które mona rozłczy tylko przy zastosowaniu metod niszczcych,

5 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych ROZPOZNANIE LITERATUROWE Metoda przeprania mechanicznego naczy cinieniowych pod wpływem cinienia wewntrznego jest ju znana i rozwijana od ponad 50-ciu lat. Pierwszy test hydrauliczny przeprowadzono na pocztku lat 50-tych XX wieku, na magistralnym rurocigu paliwowym w USA (Texas). Przed wykonaniem testu hydraulicznego, rurocig ten czsto ulegał awariom w czasie eksploatacji z powodu defektów istniejcych w materiale, powstałych w czasie produkcji rur. Przepranie mechaniczne miało w tym przypadku zlikwidowa jak najwiksz liczb defektów istniejcych w strukturze materiału. Zastosowane cinienie odprania, (któremu odpowiadało naprenie o wartoci 1,09 R e ) przyniosło zamierzon likwidacj defektów materiałowych, bdcych przyczyna awarii. Efekt ten zrealizowano poprzez odkształcenie plastyczne materiału rurocigu. Rurocig w wyniku przeprenia został dodatkowo umocniony i był zdolny do pracy przy wyszym cinieniu ni poprzednio. Efekty powyszego zabiegu na istniejcym rurocigu uznano jako w pełni satysfakcjonujce. Od tej pory rozpoczto okres przeprania mechanicznego innych istniejcych rurocigów. Rozpoczto take stosowanie przeprania rurocigów nowowybudowanych przed oddaniem ich do eksploatacji. Uzyskiwane przez operatorów korzyci z przeprania rurocigów s z kolei przyczyn rozwoju dalszych bada naukowych nad dokładniejszym rozpoznaniem zjawiska, opracowaniem modeli teoretycznych zachowania si rurocigu w skali mikro (opis struktury materiału) i w skali makro (opis deformacji). Na bazie powyszych dowiadcze w latach 60-tych ubiegłego wieku, w USA powstaj pierwsze dokumenty normatywne, regulujce prowadzenie testów hydraulicznych rurocigów gazowych i paliwowych. W American National Standards Institute ustanowiono normatywy ANSI B31.8 Code Pressure Piping, Gas Transmission and Distribution Systems [2], oraz ANSI B31.4 Code Oil Transportation Piping Systems [1], zawierajce midzy innymi wymagania odnonie przeprowadzania prób cinieniowych rurocigów gazu ziemnego i rurocigów paliwowych. Równie obecnie w Polsce trwaj prace w celu ustanowienia Normy Polskiej [56] dotyczcej rurocigów gazu ziemnego, wymaga i bada take uwzgldniajcych moliwo przeprania ich. Obszerne przedstawienie zagadnienia odprania mechanicznego rurocigów ropy naftowej i gazu znajduje si w artykule [29], w którym J. F. KIEFNER i A. WILLARD szeroko opisuj zagadnienia zwizane z odpraniem mechanicznym stalowych rurocigów przesyłowych w USA. Tez ich artykułu jest stwierdzenie, e: Testowanie rurocigów jest jedynym efektywnym sposobem wykazania i potwierdzenia ich zdolnoci eksploatacyjnych. W swoim artykule wykazuj, e: - istnieje sens wykonywania próby hydraulicznej dla nowowybydowanych rurocigów przy cinieniu, które zapewnia przekroczenie granicy plastycznoci w materiale rury, - dla istniejcych eksploatowanych rurocigów ( o duym prawdopodobiestwie istnienia niebezpiecznych wad, które mog sta si wiksze z upływajcym czasem eksploatacji) wykonywanie próby cinieniowej powinno by prowadzone w celu rehabilitacji własnoci materiałowych i tym samym przedłuenia jego trwałoci, - przepranie (test cinieniowy) powinien by wykonywany z uyciem najwyszego moliwego cinienia wewntrznego, nie tworzcego niepodanych uszkodze, - osignicie wartoci naprenia równej nawet 1,1 R e nie jest niebezpieczne dla rurocigu, nie powoduje znaczcego trwałego powikszenia rednicy rurocigu.

6 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 6 Opisuj take ilociowo i analizuj statystycznie rodzaje defektów, ich wielko, czstotliwo ich ujawniania si w zalenoci od zastosowanego cinienia odprania, cinienia roboczego, rednicy rurocigu i materiału. Udowadniaj, e: - im wysze cinienie odprania tym mniej defektów ujawnia si w czasie eksploatacji, jeli one przetrwaj prób, - jeli przy cinieniu eksploatacji mog rozwija si defekty, to wysokie cinienie próby zapewnia, e wadom tym, które ju istniej, potrzebny bdzie dłuszy czas do wzrostu do rozmiaru, który moe spowodowa uszkodzenie podczas eksploatacji, - jeli próba cinieniowa nie ujawniła wad i defektów, to prawdopodobiestwo ich wystpienia w czasie eksploatacji, przy cinieniu roboczym jest znikomo małe, - im wyszy jest współczynnik cinienia próby do cinienia eksploatacji, tym bardziej efektywny jest test odprania. W artykule przedstawiono take inne czynniki majcych wpływ na przebieg procesu odprania, takie jak: rónicy wysokoci poszczególnych sekcji rurocigu, objto odcinka próby, ciliwo wody. Oddzielnie jest analizowany stan naprenia i osignicie granicy plastycznoci odcinków rurocigu zakopanych w ziemi, ze wzgldu na parcie gruntu i powstawanie wizów (ogranicze) przemieszczania si rurocigu pod wpływem obcienia gruntem. Sporód wszystkich analizowanych w niniejszej rozprawie naczy cinieniowych, obcienia gruntem s konieczne do uwzgldnienia tylko dla rurocigów podziemnych. Zaprezentowano współczesne techniki bada rurocigów wykorzystujcych zjawisko odprania mechanicznego, problemy techniczne i formalne, jakie si spotyka w czasie przeprania oraz sposoby radzenia sobie z nimi. Wiele z nich mona uogólni na pozostałe naczynia cinieniowe. Dowiadczenia dotyczce przeprania rurocigów opisane w [29] mona z powodzeniem wykorzysta do zbudowania programów bada i stanowisk badawczych innych naczy cinieniowych. Kopczyski w pracy [33] opisuje zmiany własnoci mechanicznych stali i ich modyfikacj w trakcie hydraulicznej próby cinieniowej. Koncentruje si na opisie odprania przesyłowych gazocigów wysokiego cinienia po montau, przed oddaniem ich do eksploatacji. Dokonuje analizy wpływu odprania na zmian wykresów rozcigania stali. Wykazuje korzyci wynikajce z przeprania rurocigów w trakcie hydraulicznej próby cinieniowej. W pracy A. Kopczyskiego hydrauliczna próba cinieniowa przy wyteniu materiału rury do zakresu granicy plastycznoci ma za zadanie przedłuenie trwałoci gazocigu i przekazanie informacji o jego stanie bezpieczestwa. Opisuje On take zachowanie si wad w trakcie obciania cinieniem wewntrznym. Stwierdza, e w czasie próby hydraulicznej ujawniane s tylko wiksze wady, skutkujce pkniciem i przeciekiem. Małe wady, rzdu kilku dziesitych czci milimetra, nie stwarzaj niebezpieczestwa, rozrost ich poprzez odkształcenie plastyczne jest hamowany, a nawet zanikaj. Stwierdza te, e rozprzestrzenienie si pkni w czasie eksploatacji jest tym powolniejsze im wiksze było cinienie testu hydraulicznego i im wicej czasu od niego upłynło. Inaczej jest w miejscach o duej twardoci, w strefach nadmiernego oddziaływania termicznego w czasie spawania. Nawet wady o wymiarach rzdu setnych czci milimetra mog by przyczyn pkni. Dlatego wadliwy proces produkcji rur (niewłaciwe połczenie tamy z której zwijana jest rura, uskok na krawdzi), lub niewłaciwe dobrane temperatury procesu zgrzewania tam lub scalania odcinków rurocigu, zostaj ujawnione w trakcie próby cinieniowej.

7 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 7 W dalszym cigu pracy Kopczyski analizuje stan naprenia w rurocigu w trakcie próby hydraulicznej. Nierównomiernie rozłoone naprenia własne, w wyniku wzrostu obcienia przekraczajcego granic proporcjonalnoci prowadz do niewielkich odkształce plastycznych. Naprenia własne stopniowo zanikaj, odpowiednio do ustalajcego si nowego stanu równowagi. W ułoonych rurocigach naprenia wzdłune, które w niedopuszczalny sposób wzrosły do wysokoci punktu płynicia materiału s kompensowane przez wzgldnie niewielkie odkształcenia plastyczne w kierunku obwodowym. Ponadto ten sam Autor w pracy [33] twierdzi, e im bardziej mikkie materiały, tym wiksze wady mog zosta usunite w wyniku odprania. Uwaa take, e dla eksploatowanych rurocigów ułoonych w ziemi z pkniciami i przeciekami spowodowanymi korozj napreniow lub innymi wadami, oprócz próby cinieniowej, nie znaleziono jeszcze adnej innej metody ich rehabilitacji. Jak do tej pory opisane i zbadane moliwe aplikacje przeprania dotycz jedynie rurocigów magistralnych wysokiego cinienia, głównie rurocigów przesyłowych gazu ziemnego, ropy naftowej lub jej produktów. Modele fizyczne i matematyczne procesu przeprania rurocigów s ju dobrze poznane. Prostota konstrukcji rurocigu sprawia, e zjawisko daje si w prosty sposób zapisa zalenociami analitycznymi. Powszechnie znane s ju sposoby analizy stanu naprenia rury, traktowanej jak obiekt cienkocienny lub grubocienny. Przepranie rurocigów mona uzna za dobrze poznane i w pełni opanowane. Obecnie niewiele informacji mona znale na temat zagadnie dotyczcych matematycznego opisu zjawiska przeprania innych naczy cinieniowych ni rurocigi. Jest to najczciej spowodowane tym, e opis analityczny, za pomoc powszechnie stosowanych narzdzi matematycznych nie wszdzie jest moliwy lub nie dajcy wystarczajco dokładnych rezultatów. Wielu badaczy po dowiadczeniach zwizanych z przepraniem rurocigów, próbuje znale naukowe uzasadnienie i moliwoci techniczne przeprania innych naczy cinieniowych. Opis wykorzystania zjawiska do odprania mechanicznego połcze króców i piercieni wzmacniajcych z płaszczem zbiorników cinieniowych został poruszony w artykule [71]. Autor opisuje w nim moliwoci wyeliminowania napre pozostajcych po procesie spawania. Dla zbiorników walcowych, potwierdza tez udowodnion przy odpraniu rurocigów, e im wysze cinienie odprania tym skuteczniejsza jest redukcja napre własnych. Analiza stanu naprenia wykazuje, e w walcowych zbiornikach cinieniowych naprenia obwodowe ulegaj wikszej redukcji ni naprenia wzdłune. Najwysza skuteczno procesu odprania wystpuje wówczas, gdy kierunki napre własnych i napre od obcie zewntrznych s zgodne. Opisuje równie zachowanie si struktury materiału w czasie odprania. Jako negatywn cech procesu podaje, e wynikiem przeprania konstrukcji jest wystpowanie odkształce plastycznych, które mog mie wpływ na zwikszenie niebezpieczestwa kruchego pkania. Podaje ilociowy wpływ odkształce plastycznych na odporno stali na kruche pkanie. Dla stali uspokojonych, z których budowane s naczynia cinieniowe odkształcenie plastyczne do 2% nie powoduje obnienia odpornoci na kruche pkanie. Zwikszenie odkształcenia do 5% ponad granic plastycznoci, skutkuje podwyszeniem temperatury

8 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 8 przejcia w stan kruchoci o 20K, a zwikszenie odkształce plastycznych do 10% skutkuje podwyszeniem temperatury przejcia w stan kruchoci a o 50K. Autor pracy [71] proponuje przyjcie własnego toku postpowania, który naley przeprowadzi, aby zakwalifikowa dany, nowobudowany zbiornik cinieniowy do odprania mechanicznego w celu usunicia napre pozostajcych po procesie spawania. Proponuje, majc dany jego wstpny projekt, przeprowadzenie analizy wytrzymałociowej metod elementów skoczonych połcze spawanych, gdzie przypuszczalnie wystpi najwiksze naprenia. Nastpnie na podstawie wyników oblicze wytrzymałociowych sugeruje przeprowadzenie optymalizacji konstrukcji. Ponowne wykonanie analizy wytrzymałociowej zoptymalizowanej konstrukcji zbiornika okrela, jakie wprowadzone poprawki konstrukcyjne bd najodpowiedniejsze dla połcze spawanych, które spowoduj najwikszy spadek napre własnych. Kolejnym etapem proponowanego toku postpowania jest budowa rzeczywistego zbiornika. Dalej proponuje dokładne zwymiarowanie spoin i kolejn, trzeci analiz numeryczn MES wybranych fragmentów przekrojów połcze króców z płaszczem zbiornika. Na tym etapie kwalifikowania zbiornika do odprania mechanicznego modele numeryczne, jakie wykorzystuje Szubryt w swoich analizach s budowane dla fragmentów (połcze spawanych króców z płaszczem) zbiorników cinieniowych. Osobno modelowane s poszczególne czci płaskiego przekroju (w osi króca) połcze króców z płaszczem zbiornika. Do budowy modelu dyskretnego wycinków połcze spawanych uywa płaskich izoparametrycznych elementów o 4 lub 8 wzłach, które przeznaczone s do modelowania układów, znajdujcych si w płaskim stanie naprenia lub odkształcenia. Dopiero skutkiem trzeciej analizy MES, która symuluje rzeczywiste zachowanie materiału w miejscach połcze króców z płaszczem zbiornika, jest okrelenie cinienia odprania mechanicznego. Cinienie to dobiera si tak, aby zapewni przeprowadzenie skutecznego i nie powodujcego niekorzystnych wpływów zabiegu odprania mechanicznego. Autor proponuje przeprowadzenie oblicze numerycznych w zakresie sprysto plastycznym. W swych analizach uwzgldnia nieliniowo fizyczn i sprysto-plastyczne cechy materiału. Wad opisanego w pracy [72] sposobu modelowania jest tylko fragmentaryczne ujcie problemu oraz brak uwzgldnienia w modelach wpływu krzywizny płaszcza zbiornika. Inny bdzie stan naprenia w przekroju równoległym do osi całego zbiornika, a inny dla przekroju w płaszczynie prostopadłej do tej osi. Ponadto, zaprezentowany sposób postpowania, mimo e wydaje si racjonalny dla nowych zbiorników, nie nadaje si do zbiorników istniejcych, ju eksploatowanych. Analizujc istniejcy obiekt konstrukcji, nie jest moliwe wykonanie optymalizacji rozwiza projektowych pod ktem skutecznoci zabiegu odprania. Trudnoci napotka si take przy próbie pomiarów spoin ze wzgldu na istnienie powłok malarskich czy ubytków korozyjnych. Podobne zagadnienie opisano w pracy [48]. Autorzy analizuj moliwo uycia nieliniowej analizy MES do zasymulowania plastycznego zniszczenia naczynia cinieniowego z zamodelowanymi defektami i bez nich. Przeprowadzono numeryczn, nieliniow analiz fragmentu naczynia cinieniowego do oszacowania jego wytrzymałoci. Przyjto charakterystyk rzeczywistego materiału, który nie jest idealnie sprystoplastyczny. Uyto kilka technik obliczeniowych MES do okrelenia plastycznego zniszczenia analizowanego naczynia. Techniki te polegały głównie na dobieraniu właciwej charakterystyki materiałowej, metodologii rozwizywania oraz na sprawdzaniu jak zastosowane techniki wpływaj na uzyskiwane wyniki, dokładno i redukcj czasu

9 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 9 potrzebnego do analizy. Ponadto wyznaczano i mierzono wielko obszarów, w których wystpiły odkształcenia plastyczne, pod wpływem zwikszajcego si cinienia wewntrznego. Okrelano te wielko obcienia potrzebn do osignicia granicy plastycznoci i dalej - do plastycznego zniszczenia. Celem Autorów była take ocena rónych metodologii rozwizywania plastycznych zagadnie dotyczcych naczy cinieniowych obcionych cinieniem wewntrznym w połczeniu z zastosowaniem metody elementów skoczonych. Wnioskiem opisanych w pracy [48] rozwaa jest stwierdzenie, e niemoliwe byłoby poznanie obrazu plastycznego zniszczenia naczynia cinieniowego i wyznaczenia jego granicznych parametrów bez uycia zaawansowanej, nieliniowej wytrzymałociowej analizy MES. Badaniami nad wielkoci napre resztkowych w powłokach sferycznych zbiorników cinieniowych zajmowano si w pracy [62]. W artykule opisano badania nad rozkładem napre resztkowych na roztłaczanej płytce (próbce), która ma symulowa roztłaczanie dennicy magazynowego zbiornika cinieniowego o pojemnoci 200 m 3, przeznaczonego do skroplonego gazu LPG. Rezultaty pokazuj, e na wewntrznej powierzchni powłoki sferycznej dennicy po roztłaczaniu, resztkowe naprenia obwodowe s ciskajce, a resztkowe naprenia wzdłune s rozcigajce (bardzo małe) lub w niektórych miejscach take ciskajce. Taki rozkład napre resztkowych jest bardzo korzystny, gdy zabezpiecza powłok przed pkaniem korozyjnym. Roztłaczanie hydrauliczne zabezpiecza take przed wzrostem kruchoci i przyczynia si do polepszenia wytrzymałoci. Ogólnie metod wytwarzania dennic naczy cinieniowych poprzez roztłaczanie hydrauliczne okrelono jako technologi pełn zalet i gwarantujc jego uytkownikowi bezpieczestwo. Przykłady wytrzymałociowej analizy Metod Elementów Skoczonych, wybranych naczy cinieniowych z uwzgldnieniem nieliniowoci fizycznej i geometrycznej, przedstawiono w pracy [61]. Zwrócono uwag, e korzystanie z nieliniowej analizy numerycznej wymaga starannego osdu inynierskiego oraz dowiadczenia ze wzgldu na wraliwo modelu na zamodelowane parametry geometryczne i materiałowe. W publikacji zaprezentowano dwa problemy dotyczce analizy naczy cinieniowych, w których wystpuj due przemieszczenia i odkształcenia plastyczne obiektów, których zachowanie pod wpływem cinienia wewntrznego symuluje si przez nieliniow analiz MES. Pierwszy z nich dotyczy wyznaczenia maksymalnego obcienia zdeformowanego (owalnego) fragmentu rury obcionego tylko cinieniem wewntrznym i dyskutuje si w nim dokładno rozwizania oraz porównuje z badaniem eksperymentalnym. Drugi przypadek symuluje proces wytwarzania dennicy zbiornika cinieniowego poprzez formowanie (roztłaczanie) na zimno ze stali, która umacnia si w wyniku odkształcenia plastycznego. Autor zwraca uwag, e w kadym z opisanych powyej przypadków w celu uzyskania wiarygodnych rezultatów, bardzo wane jest przyjcie do modelu obliczeniowego właciwych cech fizycznych materiału, jak najbliszych cechom materiału rzeczywistego. Przedstawione w pracy [61] przykłady jasno stwierdzaj, e dla cienkociennych naczy cinieniowych tylko nieliniowa fizycznie i geometrycznie, numeryczna analiza wytrzymałociowa moe da realne i wiarygodne wyniki.

10 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych CEL I TEZA PRACY 3.1. Sformułowanie tezy pracy Kade naczynie cinieniowe po zakoczonym procesie technologicznym produkcji posiada defekty i własne wady, które powoduj powstawanie napre własnych i lokalnych koncentracji napre. Defekty i własne wady powstaj w elementach (czciach walcowych i dennicach) w trakcie rónych, kolejno nastpujcych po sobie operacji technologicznych, a take podczas eksploatacji. Ogólnie przyczyny powstawania wad, defektów i uszkodze naczy cinieniowych mona zakwalifikowa wg nastpujcych kategorii: - niewłaciwy projekt, - błdy operacyjne podczas procesu eksploatacyjnego np. niewłaciwe parametry cinienia lub temperatury, - błdy spowodowane niewłaciwym serwisem, np. niewłaciwe zabezpieczenie antykorozyjne, niewykrycie korozji, szczeliny lub inicjujcego si pknicia, - uycie niewłaciwego materiału, - błdy podczas procesu produkcji naczynia cinieniowego lub sam proces produkcyjny. Na zaistnienie błdu ludzkiego w czasie eksploatacji nie mamy wpływu, a wic metod odprania mechanicznego naczy cinieniowych moemy jedynie stosowa w celu eliminacji lub niwelacji wad własnych i defektów, powstałych głównie wskutek procesu produkcyjnego, a take czciowo wskutek niewłaciwego materiału lub nieodpowiedniego projektu. Podczas wytwarzania naczy cinieniowych i zbiorników wystpuj typowe operacje technologiczne takie jak: walcowanie, cicie i kształtowanie, wyoblanie, gicie, spawanie blach, łczenie ich w piercienie za pomoc spoin doczołowych, a nastpnie spawanie obwodowe tych piercieni w celu ostatecznego ukształtowania naczynia. Po kadej z tych operacji, a take podczas eksploatacji we wszystkich elementach naczynia cinieniowego powstaj dodatkowe, zwykle niekorzystne, nie dajce si wprost okreli naprenia. Naprenia te mog si kumulowa lub niwelowa w czasie kolejnych operacji. Nie zniwelowane mog pozostawa długi czas w czasie eksploatacji lub mog si te ujawni w jej trakcie. Zwykle nazywa si to awari, jeli urzdzenie da si naprawi, lub katastrof jeli zmian kształtu, struktury i funkcji nie daje si przywróci. Zaprezentowano kilka typowych przykładów zaistnienia, skumulowania si nie zniwelowanych wad własnych z niekorzystnymi czynnikami zewntrznymi, które doprowadziły do wyłczenia z eksploatacji danego naczynia cinieniowego, uszkodzenia, a nawet katastrofy. Przykłady wad powstałych w trakcie produkcji poziomego, cinieniowego zbiornika walcowego pokazano na rysunkach Widoczne na rysunku 3.1 spoiny wzdłune i obwodowe na płaszczu poziomego walcowego zbiornika cinieniowego s miejscami wystpowania duych koncentracji napre. Koncentracje pozostałe po spawaniu s to nie tylko obszary spoin, to take cała strefa wpływu ciepła, która ma szeroko kilku centymetrów.

11 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 11 Rys Spoiny wzdłune i obwodowe Oprócz spoin w całych arkuszach blachy wystpuj naprenia własne pozostałe po procesie gicia blachy. S to naprenia ciskajce na wewntrznych, rozcigajce na zewntrznych powierzchniach cianki naczynia. Na rysunku 3.2 przedstawiono fragment zbiornika zawierajcy króciec i uchwyt transportowy. Dodatkowo elementy te znajduj si w pobliu spoin wzdłunej i obwodowej łczcej dennic z czci walcow. W tych miejscach trzeba si liczy si z osłabieniem cianek zbiornika. Spoiny pachwinowe wokół króca i uchwytu mog by ródłem dodatkowego naprenia, powodujcego zginanie (dystorsj) wskutek stygnicia spoiny. Na rysunku 3.3 przedstawiono typowe rozwizanie podparcia zbiornika poziomego. Cz walcowa zbiornika połoona jest na specjalnych opaskach, które spoinami pachwinowymi połczone s z podporami i czci walcow. W miejscach podpór istniej a trzy czynniki generujce naprenia: termiczne od spawania, od cinienia wewntrznego i ciaru własnego medium.

12 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 12 Rys Uchwyt transportowy, króciec i dennica Rys Podpory zbiornika

13 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 13 Zwykle w prawidłowo wykonanych elementach cinieniowych naprenia własne nie s niebezpieczne i nie ujawniaj si podczas eksploatacji. Jeli wszystkie negatywne czynniki bd si kumulowa, od procesu produkcyjnego zaczynajc a na warunkach eksploatacji koczc, to zaistniałe naprenia jako skutek istnienia wad i defektów nie bd resztkowe, ale urosn do znacznych wartoci. Jeli bd to wartoci na tyle due, aby przewyszy wartoci okrelane w projektach jako dopuszczalne to skutkiem tego moe by tylko nie dajca si przewidzie nagła awaria lub katastrofa. Negatywne przykłady istnienia wad i napre własnych w materiale naczynia cinieniowego pokazano na rysunkach 3.4 i 3.5. Jest to gazocig wysokiego cinienia, do budowy którego uyto wadliwie wytworzone rury ze szwem spiralnym. Wady stwierdzone ju podczas produkcji rur to: nierówne złoenie krawdzi blach przed wykonaniem spawu spiralnego, niewłaciwe wykonane spoiny (widoczne na rysunku 3.6), oraz znaczne lokalne przegrzania materiału. Dodatkowym obcieniem takich gazocigów były naprenia zginajce pozostajce po układaniu na łukach i na wzgórzach/dolinach. Innym niekorzystnym czynnikiem była niestabilno gruntu w okresach całorocznych zima-lato. Do wszystkich czynników oddziałujcych na gazocig naley jeszcze doda podstawowe obcienie, jakim jest projektowe cinienie wewntrzne. Rys Fragmenty rur gazocigu po eksplozji zerwanie wzdłu szwu spiralnego

14 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 14 Rys Fragmenty rur gazocigu po eksplozji zerwanie obwodowe Rys Zerwana spoina po eksplozji gazocigu

15 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 15 W tym przypadku na skutek skumulowania si wszystkich wyej wymienionych czynników doszło do eksplozji gazocigu. Zniszczenie polegało na rozwiniciu si rur spawanych spiralnie na odcinku ok. 50 m. Szcztki fragmentów rur porozrzucane były nawet w promieniu 100 m. Przedstawiony gazocig po montau i ułoeniu w wykopie został poddany tylko pneumatycznej próbie szczelnoci przy cinieniu równym cinieniu roboczemu przesyłanego gazu. Przepranie gazocigu, realizowane w trakcie hydraulicznej próby stresowej, natychmiast wykazałaby wiksze wady i mona byłoby unikn tej katastrofy. Niezastosowanie tego zabiegu jako ostatniego etapu procesu produkcyjnego gazocigu okazało si w tym przypadku bardzo kosztownym błdem. Inny defekt naczynia cinieniowego, którego skutki mogłyby by nie mniej grone ni w opisywanym powyej gazocigu, wystpił w cysternie samochodowej przeznaczonej do transportowania paliw płynnych. W cysternie (pokazanej na rysunku 3.7) powstały pknicia w miejscach łczenia przegród z głównymi ciankami zbiornika. Powstałe pknicia wykazane penetrantem podczas ogldzin, obejmowały wiele miejsc i były tak due e cysterna została wycofana z eksploatacji. Obszary z pkniciami spoinami wewntrz zbiornika pokazano na rysunku 3.8. W tym przypadku prawdopodobn przyczyna pkni mogło by zassanie zbiornika, czyli praca jednej komory przy podcinieniu przy jednoczesnym wypełnieniu ssiednich. Pkanie materiału nastpiło w miejscach koncentracji napre spawalniczych. Niewtpliwie wpływ na zaistnienie tego typu wady mogło mie take eksploatowanie cysterny na drogach o złej lub uszkodzonej nawierzchni. Rys Cysterna samochodowa do przewozu paliw płynnych

16 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 16 Rys Pknicia spoin przegród w cysternie samochodowej Kolejny przykład uszkodzenia zbiornika, tym razem na skutek błdu operacyjnego spowodowanego przez człowieka, przedstawiono na rysunku 3.9. Pionowy walcowy zbiornik słucy do magazynowania oleju opałowego nie był projektowany jako naczynie cinieniowe. Wskutek błdu operacyjnego podczas procesu eksploatacji pojawiło si cinienie wewntrz zbiornika. Zmagazynowana energia w spronym gazie uwolniła si podczas eksplozji, której skutkiem było oderwanie (odcicie) dennicy dolnej i odrzucenie jej w dół. Rys Uszkodzony zbiornik magazynowy oleju

17 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 17 Mona stwierdzi, e do ogólnego stanu napre wywołanego procesem produkcji, naley doda take lokalne defekty generujce powstawanie kolejnych napre własnych i koncentracji, spowodowanych czynnikami eksploatacyjnymi. Do najwaniejszych czynników eksploatacyjnych generujcych taki stan mona zliczy: warunki podparcia, działanie temperatury, zmienno temperatury, długotrwało obcienia, korozja, kawitacja, itp. Z wzgldu na rodzaj ródła generujcego, czynniki powodujce naprenia własne mona podzieli na: - mechaniczne, które s przewanie skutkiem nierównomiernej gruboci, wywołujcej nierównomierne odkształcenia plastyczne (i naprenia). Powstaj w czasie prowadzonych procesów obróbki mechanicznej. - termiczne, czyli najczciej pozostałoci po obróbce cieplnej. S wynikiem nierównomiernego nagrzewania lub ozibiania, które powoduje wystpowanie gradientu temperatury, a gradient temperatury implikuje z kolei naprenia termiczne. - chemiczne, które s wynikiem przemian fazowych lub reakcji chemicznej zmieniajcej właciwoci materiału. Najczciej jest to skutek obróbki powierzchniowej, nakładania powłok lub korozji. Podstawowe elementy konstrukcyjne naczy cinieniowych s łczone ze sob poprzez spawanie. Ten fakt determinuje, e zbiorniki i urzdzenia cinieniowe s budowane przewanie ze stali niskowglowych, niskostopowych lub w zalenoci od przeznaczenia ze stali czarnych, kwasoodpornych, nierdzewnych. Stale te charakteryzuj si dobrymi właciwociami plastycznymi. Duy iloraz R m /R e, zdolno do umocnienia poprzez odkształcenie plastyczne cigliwo, spawalno, to cechy materiałowe, które predysponuj je do odprania mechanicznego. Dla powyej przedstawionych problemów mona sformułowa tez, która brzmi: Dla naczy cinieniowych posiadajcych naprenia własne i wady istnieje metoda odprania mechanicznego materiału, pozwalajca na zniwelowanie napre własnych i lokalnych koncentracji napre oraz na eksperymentalne potwierdzenie wytrzymałoci i szczelnoci uzyskane pod wpływem zadanego cinienia wewntrznego. Istnieje dowiadczalna metoda badania mechanicznego naczy cinieniowych (zbiorników kulistych, zbiorników walcowych, rurocigów, cystern, itp.), której celem jest zniwelowanie napre własnych i lokalnych koncentracji napre oraz eksperymentalne potwierdzenie wytrzymałoci i szczelnoci uzyskane pod wpływem cinienia wewntrznego. W czasie tego procesu wykorzystuje si zjawisko umocnienia si materiału pod wpływem obcienia powodujcego odkształcenia plastyczne. Natomiast zredukowanie napre własnych konstrukcji (homogenizacja pola napre) jest wynikiem plastycznego płynicia materiału. Warunkiem skutecznoci procesu odprania mechanicznego jest kontrolowane obcianie konstrukcji cinieniem wewntrznym, powodujcym przekroczenie granicy plastycznoci w materiale, a do uzyskania danego stanu naprenia naczynia cinieniowego. Test napreniowy naczynia cinieniowego wykazuje wiele podanych skutków w postaci:

18 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych usunicia (w praktyce zmniejszenie) napre własnych konstrukcji od spawania, montau, sposobu podparcia itp., - ujawnienia wad krytycznych konstrukcji (np. wadliwie wykonana spoina ulega pkniciu), - utrudnienia poprzez odkształcenie plastyczne (zwikszenie liczby dyslokacji) rozrostu niewielkim wadom, które w przyszłoci mogłyby si rozwija w sposób niekontrolowany. Ponadto dla konstrukcji ju istniejcych i długotrwale eksploatowanych test napreniowy stosuje si w celu: - diagnozowania stanu technicznego elementu cinieniowego, - polepszenia własnoci wytrzymałociowych i eksploatacyjnych, - okrelenia poziomu bezpieczestwa, wyznaczenia współczynnika bezpieczestwa w czasie eksploatacji, - odtworzenia (rehabilitacji) własnoci materiałowych do stanu pozwalajcego na bezpieczn eksploatacj. Całe zjawisko przeprania mechanicznego spawanych elementów naczynia cinieniowego przedstawiono schematycznie na rysunku 3.7. Na rysunku 3.7a pokazano obraz napre przed przepraniem, zmienne co do wartoci i znaku, które mog by rzdu wielkoci porównywalnych z granic plastycznoci. Z kolei rysunek 3.7b, przedstawia obraz analizowanej próbki po przyłoeniu obcienia zewntrznego, nastpuje sumowanie si napre, w niektórych obszarach dochodzi do uplastycznienia. Im wysze jest obcienie tym wicej obszarów zostaje uplastycznionych. Z rysunku 3.7c wynika, e po odcieniu elementu naprenia we wszystkich obszarach obniaj si o warto spowodowan obcieniem zewntrznym. Obszary, które po uplastycznieniu cechowały si jednakow wartoci naprenia, po odcieniu zachowaj ta cech i jednak bdzie to duo nisza warto ni pierwotnie wystpujca. Odpranie mechaniczne materiału idealnie sprysto-plastycznego mona opisa nierównoci: ( [σ w ] + [σ o ] ) red R e (1) w której: σ w naprenia własne, σ o naprenia od obcie zewntrznych Z zalenoci (1) wprost wynika, e im wysza warto naprenia od obcie zewntrznych, tym nisze naprenia własne. Inaczej mówic, przepranie mechaniczne bdzie tym skuteczniejsze im wysze bdzie dodatkowe naprenie wprowadzone podczas przeprania. Teoretycznie dla materiałów idealnie sprysto-plastycznych, wg zalenoci (1) mona byłoby zniwelowa naprenia własne do zera. W praktyce jednak mamy do czynienia z materiałami, które po uplastycznieniu umacniaj si. Dlatego w rzeczywistych materiałach nie likwiduje si napre własnych do zera a tylko je zmniejsza.

19 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 19 a) stan materiału przed przepraniem, b) przyłoenie obcienia zewntrznego sumowanie si napre własnych z napreniami od obcienia zewntrznego,

20 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 20 c) odcienie materiału po przedpraniu spadek wartoci napre własnych. Rys Schematyczna ilustracja etapów procesu odprania mechanicznego Aby w praktycznie realizowanych procesach zachodziło zjawisko odprania mechanicznego musz by spełnione nastpujce warunki: - obcienia próbne musz działa w tych samych kierunkach co obcienia eksploatacyjne, a warto ich musi by wiksza od obcie eksploatacyjnych, - odpraniu mona poddawa tylko elementy cienkocienne, dla których wpływ gruboci na rozkład napre w kierunku promieniowym jest nieznaczny, - naley unika lokalnych pogrubie (przewymiarowania) elementów, poniewa przy zwikszeniu rozmiaru elementu moe nie zosta przekroczona granica plastycznoci, powstajce odkształcenia bd spryste, a wic nietrwałe, nie likwidujce napre własnych, - konstrukcja naczynia cinieniowego powinna umoliwia równoczesne przechodzenie w stan plastyczny wszystkich jego elementów. Im mniejsza rónica cinie pomidzy uplastycznieniem si pierwszego i ostatniego fragmentu naczynia cinieniowego tym lepiej.

21 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych Cele pracy Głównym motywem podjcia si przedmiotowego zagadnienia w niniejszej pracy jest potrzeba opracowania analitycznego i numerycznego narzdzia, umoliwiajcego analiz przeprania mechanicznego naczy cinieniowych. Celem niniejszej pracy jest wykazanie, e odpranie mechaniczne jest metod dowiadczaln, pozwalajc na zniwelowanie niekorzystnych efektów wywołanych przez naprenia i wady własne. Celem pracy jest take, przedstawienie numeryczno dowiadczalnej drogi postpowania przy projektowaniu, wytwarzaniu i badaniu naczy cinieniowych oraz opracowanie metod obliczeniowych, pozwalajcych na szybkie oszacowanie moliwoci technicznych zastosowania przeprania naczy cinieniowych. Oprócz tego celem pracy jest pokazanie i opis wielu praktycznych korzyci jakie daje nam moliwo wykorzystania zjawiska odprania mechanicznego do badania naczy cinieniowych, oraz diagnozowania ich stanu technicznego. Ponadto, kocowym celem tej pracy jest przedstawienie przykładowej symulacji procesu odprania mechanicznego cinieniowego zbiornika walcowego pionowego, wykonan przy wykorzystaniu metody elementów skoczonych, wraz z jego dowiadczaln weryfikacj.

22 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych SCHEMAT BLOKOWY POSTPOWANIA NUMERYCZNO - - DOWIADCZALNEJ METODY ODPRANIA MECHANICZNEGO Proponowany własny, oryginalny schemat blokowy postpowania przy przepraniu naczy cinieniowych przedstawiono na rysunku 4.1. Na schemacie tym zawarto wszystkie istotne, fazy procesu projektowego i badawczego, jakie naley wykona, przystpujc do numeryczno dowiadczalnej analizy przeprania. Pierwszym krokiem sposobu postpowania jest wykonanie projektu konstrukcyjnego naczynia cinieniowego. Efektem tego działania bdzie wykonanie dokumentacji konstrukcyjnej. Istotne wymiary (gruboci cianek, rednica, promienie zaokrgle, itp.) mog by przyjte na podstawie oblicze analitycznych, np. wg zalenoci podanych w pracach [24], [37], [56], [75]. Na podstawie dokumentacji konstrukcyjnej wykonuje si trójwymiarowy model geometryczny zaprojektowanego naczynia cinieniowego. Modeluje si cały zbiornik, wraz ze wszystkimi potencjalnie niebezpiecznymi miejscami ze wzgldu na koncentracje napre, wystpujcych przy krócach, wzmocnieniach, podporach, itp. Kolejnym krokiem jest budowa modelu dyskretnego (z podziałem konstrukcji na elementy skoczone), dobranie właciwego modelu materiału i przypisanie elementom modelu odpowiednich właciwoci fizycznych. W miejscach wytypowanych jako potencjalnie niebezpieczne zagszcza si siatk modelu dyskretnego, aby jak dokładniej odwzorowa lokalne obszary, miejsca o szczególnym znaczeniu dla wytrzymałoci całego zbiornika. Budow modelu geometrycznego i dyskretnego prowadzi si zgodnie z powszechnie znanymi zasadami sztuki i wiedzy inynierskiej w tej dziedzinie, które m. in. s opisane w [59], [60], [61], [82]. W kolejnym etapie wykonuje si numeryczn, nieliniow fizycznie i geometrycznie, analiz wytrzymałociow naczynia cinieniowego, ze stopniowym narastaniem obcienia, którym jest cinienie wewntrzne. Najwaniejsz wielkoci, w istotny sposób rzutujc na otrzymywane wyniki, jest przyjcie do oblicze właciwego modelu materiału. Najczciej w tego typu analizie znajduje zastosowanie model materiału sprystego z liniowym umocnieniem, czyli bdzie to typ analizy liniowy geometrycznie, w którym uwzgldnia si nieliniowo fizyczn. Dane do otrzymania krzywej umocnienia uzyskuje si na podstawie bada wytrzymałociowych próbek pobranych z elementu, na podstawie atestu hutniczego, lub z właciwych dla danego elementu dokumentów normatywnych. Najbardziej wiarygodnym ródłem tych danych s wyniki bada wytrzymałociowych. Wtedy do analizy przyjmuje si rzeczywist zaleno pomidzy napreniem i odkształceniem badanego materiału. Analizujc wyniki otrzymane w symulacji numerycznej dokonuje si kwalifikacji danego naczynia cinieniowego do odprania mechanicznego. Moliwe s tutaj dwie odpowiedzi: - NIE nie jest moliwe wykonanie odprania mechanicznego (np. moliwe jest zniszczenie pewnych fragmentów naczynia zanim dojdzie do uplastycznienia głównych powłok), - TAK jest moliwe wykonanie odprania mechanicznego.

23 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 23! $%&!! "#!! ' (! ' )* ( )*! ) Rys Schemat blokowy postpowania w numeryczno dowiadczalnej analizie zjawiska odprania mechanicznego

24 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 24 Jeli dla nowoprojektowanego naczynia wg numerycznej symulacji nie jest moliwe wykonanie odprania mechanicznego, mona powróci do punktu pocztkowego i zmieni konstrukcj, ponownie zbudowa model geometryczny, dyskretny i przeprowadzi obliczenia wytrzymałociowe. Nastpnie bdzie mona dokonywa zmian a do satysfakcjonujcego stanu. Dla istniejcego naczynia, w którym nie ma si ju wpływu na zmiany konstrukcyjne, naley zrezygnowa z przeprania. Naley zastosowa inne nieniszczce metody badania i testowania naczynia cinieniowego takie jak np.: badania ultradwikowe, badania RTG, badanie penetrantem. Jeli moliwe jest wykonanie przeprania mechanicznego, to na podstawie wyników symulacji numerycznej mona okreli parametry (max. cinienie odprania) dla rzeczywistego obiektu. Znajc rezultaty numerycznej analizy mona równie okreli współczynnik bezpieczestwa (zapas bezpieczestwa) naczynia cinieniowego w okresie eksploatacji. Wszystkie, szczegółowo opisane czynnoci i etapy przedmiotowego procesu oraz jego weryfikacja dowiadczalna przedstawiono w dalszych czciach niniejszej pracy.

25 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych BUDOWA MODELU MATEMATYCZNEGO OPISUJCEGO ZJAWISKO ODPRANIA MECHANICZNEGO W niniejszej czci pracy rozwaania bd dotyczyły typowego naczynia cinieniowego, jakim jest zbiornik walcowy, pionowy, z dennicami torosferoidalnymi. Podstawowe wymiary zbiornika przyjte do dalszych rozwaa przedstawiono na rysunku 5.1. Rys Model geometryczny naczynia cinieniowego z zaznaczonymi oznaczeniami Analiz zawono do bada cienkociennych naczy cinieniowych, a wic wymiary gabarytowe, zamieszczone na rysunku 5.1 s wymiarami odnoszcymi si do rodkowej powierzchni cianki. Jedynymi parametrami opisujcymi geometri s promie zbiornika ( R ), wysoko czci walcowej ( H ), oraz grubo cianki ( g ). Typowy zbiornik zaopatrzony jest w dennice torosferoidalne o promieniach równych: rednicy zbiornika w czci rodkowej i 10% rednicy zbiornika w czci dennicy łczcej si z pobocznic zbiornika. Przedstawione w dalszym cigu zalenoci (objtoci, odkształcenia, naprenia, itp.) dotycz naczynia o typowej konstrukcji.

26 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 26 Postpowanie dla innego typu konstrukcji zbiornika byłoby analogiczne pod warunkiem uwzgldnienia jego osobliwoci geometrycznych. Ze wzgldu na specyficzn cech fizyczn materiału, jak jest spreysto-plastyczno, matematyczny opis zjawiska odprania rozdzielono na dwa etapy. Pierwszy etap dotyczy opisu zalenoci w stanie sprystym (stan nietrwały, odwracalny), drugi dotyczy opisu zalenoci po przekroczeniu granicy plastycznoci ( stan nieodwracalny) Zachowanie si zbiornika w zakresie sprystym Cze walcowa zbiornika Bezmomentowa (błonowa) teoria powłok cienkociennych wykazuje, ze jedynymi napreniami istniejcymi w ciance zbiornika cylindrycznego s: naprenie obwodowe oraz naprenie wzdłune. S to jednoczenie naprenia główne. W rozwaanym przypadku rednie wartoci napre wynosz: rednie naprenie obwodowe: p R t =, g (2) rednie naprenie wzdłune: p R a =. 2 g (3) Naprenie zredukowane, wg hipotezy Hubera: pr σ z = σ t + σ a σ t σ a =. 2 g (4) Odkształcenia w czci walcowej zbiornika, wg uogólnionego prawa Hooke a: [ σ ν σ ] ε t = 1 t a, E (5) ε a [ σ ν σ ] = 1 a t. E (6) Proponuj własn oryginaln ide przedstawienia opisu zachowania si materiału, poprzez opis matematyczny przyrostu odkształcenia promienia i długoci: R ε t =, R (7) H ε a =. H (8)

27 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 27 Przyrosty promienia zbiornika okrelono jako funkcj cinienia wewntrznego, stałych materiałowych oraz wymiarów geometrycznych: 2 R pr pr pr 1 R = ε = ν = t R 1 ν. E g 2g ge 2 (9) Analogicznie, proponuj opis przyrostu długoci zbiornika jako funkcj: H pr pr prh 1 H = ε a H = ν = ν. E 2g g ge 2 (10) Całkowita objto zbiornika jako suma objtoci czci walcowej i dennic: V0 = π R H + 2π R arcsin sin 2arcsin +, V 0, π R H + 0 R. Znajc przyrosty promienia R, opisane równaniem (8) oraz przyrost długoci H, opisany równaniem (9) proponuj opis analityczny na przyrost objtoci V, spowodowany wzrostem cinienia o warto p w zbiorniku: ( R + R) ( H + H ) + 0, 60434( R + R) π R H 0, R V = V V0 π (11) (12) Po pominiciu małych wielkoci trzeciego rzdu przyrost objtoci przyjmuje posta: V = π R R H + π R H + π H R + 1,8129 R R + 1,8129 R R. (13) Wyznaczenie przyrostu objtoci jako funkcj cinienia, stałych materiałowych oraz wymiarów geometrycznych: ( p, R, H, g, E,ν ) V = f, πpr prh 1 ph 1 1 pr 1 V = ( 2 ν)( 1 2ν ) + H ν + 1 ν + 1,8129 R1 ν + 1, ν. ge ge 2 ge 2 2 ge 2 Znane s wszystkie parametry wystpujce po prawej stronie równania, a wic podstawiajc dane liczbowe mona wyznaczy przyrost objtoci naczynia cinieniowego w dowolnym momencie przed osigniciem granicy plastycznoci. Znajc biecy przyrost objtoci, mona take rozpatrywa odwrotne zagadnienie. Posiadajc wszystkie dane geometryczne i materiałowe uyte w równaniu (12), mona porednio okreli cinienie jako funkcj przyrostu objtoci naczynia cinieniowego. Ogólnie cinienie wewntrzne mona przedstawi jako: ( V, R, H, g, E,ν ) p = f. (14) (15) (16) Równanie (11) jest funkcj drugiego stopnia zmiennej p. Równanie to mona rozwiza analitycznie, jednak ze wzgldu na du liczb parametrów, których w tym równaniu jest 5,

28 Metoda odprania mechanicznego naczy cinieniowych. 28 zaleca si podstawienie znanych wielkoci i zastosowanie jednej z metod numerycznych, dajcych przyblione wyznaczenie cinienia p jako funkcji jednej zmiennej przyrostu objtoci V. Majc wyznaczone cinienie mona powróci do wyrae na naprenia (1), (2) i opisa je jako funkcje przyrostu objtoci naczynia cinieniowego, który w czasie testu cinieniowego bdzie równy iloci dotłoczonego czynnika próbnego. p( V ) R t =, g (17) a ( V ) p R =. 2 g (18) Równie odkształcenia mona porednio wyznaczy znajc przyrost objtoci. Odkształcenia obwodowe i wzdłune bd przedstawiały si nastpujco: ( V ) 1 p R 1 ε = [ σ t ν σ a ] = 1 ν E ge 2 t, ( V ) 1 p R 1 ε = [ σ a ν σ t ] = ν E ge 2 a. (19) (20) Dennica zbiornika W przyjtym w punkcie modelu obliczania przyrostu objtoci załoono równomierne odkształcanie całego zbiornika. Przyrostowi promienia zbiornika w trakcie obciania go cinieniem wewntrznym towarzyszy odpowiadajcy mu przyrost promieni zaokrgle dennic. Jeli promie zbiornika powikszył si o R, to promienie zaokrgle powiksza si o odpowiednio 2 R oraz 0,2 R. Dla dennicy znajdujcej si w błonowym stanie naprenia w jej wierzchołku wynosz: p R σ =. g Naprenia normalne w dwu wzajemnie prostopadłych do siebie kierunkach s sobie równe i jest to jednoczenie warto naprenia zredukowanego wg Hipotezy Hubera. p R σ z =. g Odkształcenia w punkcie wierzchołkowym dennicy wynosz: 1 pr ε = 1 E ge [ σ ν σ ] = ( ν ). (21) (22) (23)