В данной работе изложена разработанная авторами [1, 2, 3, 5] методика решения комплексной задачи по оценке прочности и долговечности оболочек вращения с учетом повреждаемости материалов вследствие ползучести и высокотемпературной водородной коррозии.
Определено напряженно - деформированное состояние составной оболочки при совместном учете факторов, влияющих на ее прочность и долговечность: воздействие высокой температуры, возникновение пластических деформаций, развитие деформаций ползучести, накопление повреждений в материале при ползучести и деградации механических свойств материала вследствие высокотемпературной водородной коррозии.
Задача решалась в термовязкоупругопластической постановке, с учетом повреждаемости материалов при ползучести и водородной коррозии.
Учет влияния высокотемпературной водородной коррозии на механические свойства материалов осуществляется с использованием модели воздействия на оболочку водородосодержащей среды [4], в соответствии с которой влияние водорода на свойства материала представляется в виде дифференциального уравнения для параметра химического взаимодействия водорода с материалом конструкции µ, изменяющегося от µ0 до µКР, принадлежащего интервалу (0; 1) и характеризующего степень повреждения материала вследствие водородной коррозии:
(1)
с начальными условиями:
t = 0, µ = µ0(p, T, ωС). (2)
Здесь k(p, T, ωС) - коэффициент, учитывающий влияние давления p, температуры T и степени поврежденности материала в следствии ползучести ωС на кинетику химических превращений, приводящих к деградации физико-механических свойств материала.
Воздействие водорода на материал начинается с поверхности оболочки, непосредственно контактирующей с водородосодержащей средой, и проявляется в обезуглероживании материала. По мере проникновения водорода в материал этот процесс распространяются в глубь конструкции с образованием области обезуглероженного материала. Поверхность, разграничивающую области материалов в исходном и обезуглероженном состоянии, будем называть фронтом обезуглероживания.
Кинетика перемещения фронта обезуглероживания для оболочки определяться следующим выражением [4]:
, 
, (3)
где z - глубина обезуглероживания, отсчитываемая от поверхности контакта оболочки с водородом; h - толщина оболочки; rв - внутренний радиус оболочки; tфронта - время, которому соответствует определяемая глубина обезуглероживания, m - константа материала.
Таким образом, исследуя историю изменения НДС оболочки с учетом перемещения фронта обезуглероживания и повреждаемости материалов при ползучести и высокотемпературной водородной коррозии, и используя соответствующие критерии мгновенной и длительной прочности, можно оценить ее несущую способность и долговечность с учетом воздействия всех вышеназванных факторов.
В качестве примера рассмотрено напряженно - деформированное состояние равномерно нагретой до температуры 500°С оболочки, находящейся под воздействием давления водорода.
Оболочка изготовлена из материала сталь 20 и имеет геометрические размеры, как показано на рисунке 1.
Исследуемая оболочка состоит из трех участков. По форме меридиана координатной поверхности все три участка оболочка являются коническими. Левый торец оболочки жестко заделан, правый свободен. Толщина первого участка 40 мм (конусность 30°), третьего - 30 мм (конусность 10°). Второй участок является переходным (конусность 1,575°). Давление водорода осуществляется с внутренней стороны.
В работе [6] определено упругопластическое напряженное состояние оболочки такого типа, находящейся в условиях неизотермического нагружения, без воздействия водородосодержащей среды и внешних сил. В отличие от этого, определим напряженно - деформированное состояние такой оболочки, находящейся при постоянной температуре и внутреннем давлении водорода.
Рис. 1.
Константы материала в соотношениях были взяты из [4], которые для стали 20 при данных условиях нагружения принимают следующие значения: k = 1,49 ⋅ 10-5 (МПа)*u, ч; u = 1,73; B = 13500; λ = 5. Влияние уровня напряжений на скорость обезуглероживания в данном расчете не учитывалось.
Некоторые результаты расчета данной оболочки с учетом воздействия водорода приведены на рис. 2-3.
Рис. 2.
На рисунке 2 приведен график зависимости времени локального разрушения от толщины стенки первого участка при неизменном давлении Р = 2,5 МПа. Кривая 1 соответствует расчету без учета воздействия водородосодержащей среды, кривая 2 - c учетом воздействия водородосодержащей среды.
Из графика видно, что воздействие водородосодержащей среды существенно снижает время до разрушения данной оболочки.
Наиболее нагруженными точками оболочки являются точки внутренней поверхности, при этом локальное разрушение во всех случаях происходит в точке этой поверхности с меридиональной координатой S = 0,457 м.
Рис. 3.
На рисунке 3 приведены графики показывающие изменение во времени параметров µ и ω в этой точке для толщины первого участка 40 мм и давления 2,5 МПа. При этом параметр µ достигает критического значения через 58 часов (завершение процесса обезуглероживания), а параметр ω - через 280 часов (начало процесса разрушения).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Белов А.В. Осесимметричное упругопластическое напряженно - деформированное состояние оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Киев, 1989. - 18 с.
- Поливанов А.А. Осесимметричное упругопластическое деформирование многослойных оболочек вращения с учетом повреждаемости материала при ползучести: Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Волгоград, 2004. - 19 с.
- V. Bagmutov, A. Belov, A. Polivanov Damage Calculation Features of Multi-layered Shells of Rotation at Thermo-Viscous-Elasto-Plastic Strain // MECHANIKA, 2004, No 3(47) - p. 19-23.
- Овчинников И.Г., Хвалько Т.А. Работоспособность конструкций в условиях высокотемпературной водородной коррозии: Саратов, 2003. 176 с.
- Белов А.В., Поливанов А.А., Попов А.Г. Современные проблемы науки и образования №1 2008. - С. 48-53.
- Методика решения осесимметричной задачи термовязкопластичности для слоистых оболочек на ЕС ЭВМ / Ю.Н. Шевченко, М.Е. Бабешко, И.В. Прохоренко.- Киев: Наук. думка, 1981. - 66 с.