Полный текст

1. Введение

Строительные конструкции вентиляторной градирни (рис. 1, а, б) представляют собой сложную пространственно искривленную систему из железобетона и стальных конструкций. Наклонные стойки и цилиндрическая часть градирни выполнены из железобетона [1]. Металлическая часть состоит из конфузора — сужающейся усеченной конической оболочки, горловины — фрагментов тороидальной и цилиндрической оболочек и диффузора — расширяющейся усеченной конической оболочки. Оболочки толщиной 4 мм подкреплены с наружной стороны продольным и поперечным набором в виде швеллеров, уголков и пластин. На уровнях горловины и вблизи верхнего среза диффузора конструкция усилена шпангоутами, которые фиксируются к корпусу градирни стержнями. В конструкции градирни имеются технологические окна, а также площадки и лестничная система для обслуживания.

 

Рис. 1. Крупногабаритная градирня: а — общий вид; б — металлическая часть

И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

 

На конструкцию градирни, помимо ветровой, вакуумной, и весовой нагрузки, действует вибрационная нагрузка. Вакуумная и вибрационная нагрузки возникают в эксплуатационный период при работе вентилятора. Внутренние поверхности конструкций испытывают воздействие относительно высоких температур от контакта с охлаждаемой водой (до 60 °С и выше), а наружные поверхности и часть внутренней поверхности находятся постоянно под воздействием температуры окружающей среды.

Тяжелые эксплуатационные условия способствуют интенсивному коррозионному износу. Натурные обследования состояния строительных конструкций ряда градирен показали, что наиболее сильному коррозионному износу подвержены железобетонные опоры и часть металлической оболочки.

В процессе эксплуатации более 20 лет прочность бетона для некоторых стоек существенно уменьшилась. Происходит процесс разрыхления бетона, возникают микро- и макротрещины, появляются очаги коррозии в арматуре. В результате наблюдается снижение прочностных свойств несущих железобетонных конструкций. На рис. 2 и 3 представлены фрагменты наиболее изношенных областей 1, 2 и 3 (по рис. 1) железобетонных элементов конструкций.

В металлической части градирни максимальному коррозионному износу подвержена зона горловины, где имеют место максимальные скорости потока воздушной среды, большие вибрационне нагрузки и наибольшее температурное воздействие. В результате интенсивной коррозии толщина оболочки значи-

тельно уменьшилась, в частности, в области горловины толщина уменьшилась до 2 мм. Имеется большое количество сквозных отверстий и локальных углублений. Ряд панелей оболочки превратились в «решето». Такая картина наблюдается в зоне горловины и в нижних частях конфузора и диффузора. Активный коррозионный износ происходит в местах соединения панелей, в узких зазорах между элементами панелей и над ребрами жесткости. Подкрепляющие элементы градирни, вследствие расположения снаружи, имеют менший износ. На рис. 3 представлены некоторые фрагменты наиболее изношенных элементов конструкций в области опоры конфузора на верхнее железобетонное кольцо (область 4 по рис. 1) и области горловины (область 5 по рис.1).

 

                     а                                                              б                                                                                 в

Рис. 2. Дефекты (по рис. 1):

а — в районе наклонных стоек; б — в районе основания; в — в цилиндрической части

И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

 

                                   а                                                                         б                                                          в

Рис. 3. Дефекты:

а — в районе верхнего железобетонного кольца; б — в конфузоре в районе железобетонного кольца; в — в районе шейки (вид изнутри)

И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

Коррозия металлов — это физико-химическое взаимодействие металла со средой — окисление металла с образованием продуктов коррозии (ржавчины), в результате уменьшаются геометрические параметры элементов конструкций. При этом поверхностные слои элементов конструкций разрыхляются на некоторую глубину или на всю глубину для тонкостенных элементов, что приводит к изменению механических свойств элемента.

На поверхности металла, находящегося в водной или другой среде, образуется тонкий защитный пассивирующий слой (рис. 4), при разрушении которого начинается коррозионное разрушение [2].

Очевидно, на разрушение пассивирующего защитного слоя влияют различные факторы: физические и механические поля, среда и температура и др.

Влияние напряженно-деформированного состояния на кинетику коррозионных процессов были рассмотрены авторами ранее. Исследования показали, что увеличение уровня растягивающих напряжений способствует разрушению защитного слоя и тем самым приводит к ускорению коррозионного износа. При анализе работы конструкций, особенно тонкостенных, подвергающихся коррозии, помимо изменения геометрических параметров необходимо принять во внимание изменение приведенных механических свойств, а также уровень и характер механических нагрузок.

Недостаточно изучено влияние различных физических полей на состояние защитного пассивирующего слоя. Влияние активного магнитного поля на процесс коррозии отмечено в [3–10].

 

                                                                         ϕp                           ϕa                                             ϕp                  ϕ

 

Рис. 4. Зависимость скорости анодного растворения металла i от потенциала φ

И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым

 

При проектировании конструкций, как правило, задают величину износа материала за единицу времени (например, 0,1 мм в год). Такой подход не учитывает изменение интегральных механических свойств тонкостенных элементов конструкций, а также образование локальных углублений и сквозных отверстий. Результаты исследования тонкостенных балок с локальными дефектами приведены в [13]. Некоторые результаты исследования влияния окружающей среды на ползучесть и длительную прочность металлов представлены в [14–16]. Влияние вибрации на скорость коррозии защитных катодов из магния, алюминия и цинка в пресной и морской воде Персидского залива отмечено в [17]. Результаты исследования влияния вибрации возбуждения при высокотемпературной схеме обработки на механические характеристики и коррозионную стойкость литой стали под напряжением приведены в [18].

Цель исследования — разработка подхода диагностики тонкостенных конструкций, подверженных коррозионному износу, при наличии вибрации и повышенной температуры на примере крупногабаритной вентиляторной градирни. Задачи исследования: изучение влияния вибрации и температуры на процесс коррозионного износа тонкостенных элементов конструкций экспериментально-теоретическим методом; анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) исходного и актуального состояния металлической части вентиляторной градирни с учетом пластических деформаций на базе варианта метода конечных элементов [11], развитого для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций в ци-

 

линдрической системе координат.

2. Метод

Для оценки степени коррозионного износа образцов, выдержанных определенное время в заданной среде при воздействии вибрации и температурного поля, используется экспериментально-теоретический метод [12], основанный на синтезе экспериментальных данных и теоретических соотношений, полученных из нелинейной теории оболочек. Этот метод является эффективным методом оценки интегральных жесткостных характеристик различных тонкостенных элементов сложной структуры. Изображение схемы установки для плоскихобразцов приведено на рис. 5.

 

Рис. 5. Схема экспериментальной установки И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

 

Круглые образцы, выдержанные заданное время в исследуемой среде при воздействии вибрации и температуры, закрепляются по контуру и нагружаются равномерным давлением p . В процессе увеличения давления p производится мониторинг формы купола, в частности, измеряется высота подъема вершины купола H и строится график давление p — прогиб H . На теоретическом этапе, используя соотношения, полученные из нелинейной теории оболочек для случая среднего изгиба, и экспериментальную зависимость прогиб H — давление p для металлических образцов, вычисляется приведенная тангенциальная жесткость на растяжение-сжатие B и приведенная жесткость на изгиб В [12]:  

                                                  3                                                 ^{4 2}

B = 0,3037 pa   ,   D= 0,0253p 3 , H        H а также модуль упругости, по формуле	(1)
0,303pa (1−ν            E= 43     2) ,	(2)

                                       ^{ a                             a h}

hH

где h и a — толщина и радиус рабочей части; ν — коэффициент Пуассона.

3. Результаты

3.1. Влияние вибрации на коррозионный износ

Выполнены исследования влияния вибрации на процесс коррозионного износа в водной среде стальных образцов Сталь 3 с исходной толщиной h = 0,6 мм.  

Тонкие круглые образцы размещаются раздельно в емкостях со средой. Емкости размещаются на вибрирующей площадке. В частности, на площадке, прикрепленной к компрессору (частота вращения n = 2800 об / мин).

Рассмотрены варианты горизонтального и вертикального расположения образцов (рис. 6, a, б).

Образцы выдерживались в водной среде в течение заданного времени. Контрольная группа емкостей располагалась в спокойной от вибрации области. Степень коррозии образцов оценивалась экспериментально-теоретическим методом [12].  

a                                                                           b

Рис. 6. Схемы размещения образцов на виброплатформе:

a — горизонтальноеи расположение образцов; б — вертикальное расположение образцов

И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

 

В первой серии работ исследовались образцы, расположенные горизонтально на специальной площадке компрессора (рис. 6, а). Компрессор включался в автоматическом режиме в течение двух месяцев (за исключением воскресных дней) с 9.00 до 18.00 ч: компрессор в течение дня периодически включался (вибрация – 20 с) и выключался (без вибрации — 3 мин 40 с).

Во второй серии работ исследовались образцы, расположенные вертикально на специальной площадке компрессора (рис. 6, б). Компрессор работал в течение четырех месяцев в автоматическом режиме:

включался (вибрация) 30 с и выключался (без вибрации) 6 мин 10 с. В каждой серии работ рассматривалась контрольная группа образцов, которые не подвергались вибрации.

Экспериментально-теоретическим методом, отмеченным выше, для каждого образца определялась зависимость максимального прогиба H от давления p. По средним значениям максимальных прогибов образцов строились кривые давление p — прогиб H, которые представлены для первой серии работ на рис. 7, а, а для второй серии — на рис. 7, б.  

 

               H, mm                                                                                 H, mm

a                                                                                         b

Рис. 7. Зависимости p–H расположены:

а — горизонтально, б — вертикально; 1 — в состоянии покоя; 2 — при вибрации

И с т о ч н и к: выполнено С.Н. Якуповым.

 

Как видно из графиков, в обеих сериях испытаний образцы из группы, подверженной вибрации (2), при одном и том же давлении прогибаются больше, чем образцы из контрольной группы (1), т.е. образцы под вибрацией подвергаются большему коррозионному износу, чем образцы из контрольной группы; этот вывод согласуется с замерами толщин образцов после коррозионного износа: средняя толщина образцов первой серии исследований, подверженных воздействию вибрации, составило 0,588 мм, в то время как средняя толщина образцов контрольной группы — 0,593 мм; для второй серии испытаний соответственно 0,556 и 0,569 мм.

Отмеченный вывод можно объяснить тем, что при вибрации создаются более благоприятные условия для разрушения пассивирующего слоя в электрохимическом процессе коррозии.

Таким образом, установлено влияние вибрации на процесс коррозионного износа стальных образцов, находящихся в водной среде, причем вибрация способствует более быстрому разрушению защитного пассивирующего слоя, образуемого в процессе коррозии, и тем самым способствует ускоренной коррозии.

Обнаруженный эффект имеет важное теоретическое значение при изучении явления коррозии как сложного электрохимического процесса под воздействием вибрации, а также практическое значение. Эффект необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации металлических конструкций, которые испытывают существенные вибрационные нагрузки — вентиляторные градирни, транспортные средства, трубопроводы и др.

Необходимо подчеркнуть, что вибрация возбуждения при высокой температуре эффективно устраняет остаточное напряжение литой стальной детали и может в определенной степени снизить внутреннюю твердость литых стальных деталей, однако в то же время способствует улучшению стрессоустойчивости коррозии [18].  

3.2. Влияние температуры на коррозионный износ

Исследования влияния температуры на коррозионный процесс представляют определенный интерес, хотя исследования по этой теме встречаются редко. Увеличение коррозионного износа при 70 ˚С было обнаружено на угольной электростанции при исследовании стенок бойлера — замечено образование вязких отложений на стенках из-за конденсациикислот [19]. Увеличение восприимчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением для некоторых сортов нержавеющей стали в растворе KCl при воздействии температуры отмечено в [20].

Выполнены экспериментальные исследования влияния температуры водной среды на коррозионный износ тонкостенных стальных образцов Сталь 3.

Рис. 8. Схема установки: 1 — цилиндрическая емкость; 2 — нагревательный элемент; 3 — обоймы с образцами И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

костях с заданной средой и выдерживались заданное время. До начала и после эксперимента производился осмотр и замеры толщин исследуемых образцов. Для оценки влияния температуры на коррозию круглых в плане тонкостенных образцов использован экспериментально-теоретический

                                                                    Алгоритм исследования. Разработана установка (рис. 8), состоящая из цилиндрической емкости (1) для заливки агрессивной жидкости.

В центре емкости расположен нагревательный элемент (2). По периметру емкости, на одинаковом расстоянии от центра, установлены обоймы с образцами (3). Для контроля температурного режима среды около образцов установлены датчики температуры.

В эксперименте, для реализации трех температурных режимов, использованы три установки, расположенные рядом друг с другом. Образцы, закрепленные в обойме, размещают в соответствующих ем-

метод, отмеченный выше.

Металлические образцы из Сталь 3 толщиной 0,6 мм, подвергались коррозионному износу в течение 107 суток при температурных режимах T₁ = 70 ˚C, T₂ = 40 ˚C, T₃ = 18 ˚C. Толщины образцов, подверженные коррозии под воздействием температурного поля, составили: t₁ = 0,528 мм, t₂ = 0,576 мм, t₃ = 0,581 мм, соответственно. Кривые «давление p — прогиб H» для рассмотренных образцов представлены на рис. 9.

 

 

 

0,6

 

 

 

 

0,4

 

 

 

 

0,2

 

Рис. 9. Зависимости давление p — прогиб H

И с т о ч н и к: выполнено Р.Р. Гиниятуллиным.

 

Как видно из графиков (рис. 9), с увеличением температуры среды прогибы образцов увеличиваются, т.е. коррозионный износ возрастает. Модули упругости корродированных образов, вычисленные по (2) при p = 0,02 МПа составили: ^Е₁ =1,778×10⁶ МПа, ^Е₂ = 1,946×10⁶ МПа, ^Е₃ = 2,051×10⁶ МПа, соответственно.

На рис. 10 представлены изображения поверхности корродированных образцов при 4-, 10- и 400кратном увеличении.

Как видно, при коррозии происходит разрыхление поверхности образцов на некоторую глубину, при этом при повышении температуры образуются каверны, которые при 70 ˚C объединяются в большие области.

Таким образом, установлено, что температура среды существенно влияет на коррозионный износ тонкостенных стальных образцов. Повышение температуры среды способствует более быстрому разрушению защитного пассивирующего слоя, образуемого в процессе коррозии, и тем самым приводит к увеличению степени коррозионного износа.  

 

	Т = 40 ˚C	Т = 70 ˚C

10

400

                                                                  Т₁ = 18 ˚C                                 ₃

Рис. 10. Изображения поверхности корродированных образцов

И с т о ч н и к: выполнено Р.Р. Гиниятуллиным.

 

Установленный эффект имеет важное теоретическое значение при изучении сложного электрохимического процесса коррозии с учетом температуры среды. Также данный эффект важен в практическом применении, особенно для тонкостенных элементов конструкций, и его необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации металлических конструкций, которые в процессе работы взаимодействуют со средой повышенной температуры (в частности вентиляторные градирни, трубопроводы и др.)

3.3. Состояние конструкции градирни с коррозионными дефектами

Как отмечалось выше, строительные конструкции градирни находятся в тяжелых эксплуатационных условиях. Ветровые, вакуумные и весовые нагрузки, а также вибрация от работающих вентиляторов, высокие температуры охлаждаемой среды и солнечное излучение способствуют существенному коррозионному износу элементов конструкций. При этом образуются различные локальные углубления и сквозные отверстия, в тонкостенных элементах происходит изменение жесткостных свойств. Все это способствует увеличению уровня внутренних напряжений, появлению дополнительных концентраторов напряжений и снижению несущей способности всей конструкции.

В области коррозионного дефекта наблюдается изменение структуры материала поверхностного слоя. Этот факт практически не учитывается, хотя для тонкостенных элементов конструкций он может быть существенным. Изменение структуры поверхностого слоя может привести к существенному изменению интегральных механических свойств тонкостенных элементов конструкций. В связи с этим для расчета НДС металлической части конструкции градирни (см. рис. 1) предварительно определены экспериментально-теоретическим методом актуальные интегральные жесткостные характеристик тонкостенных элементов, вырезанных из конструкций во время ремонта. То есть при расчете были заложены реальные жесткостные свойства элементов конструкции, испытавшей, в частности, влияние вибрационных и температурных нагрузок в эксплуатационный период.  

Для анализа НДС металлической части вентиляторной градирни использовался сплайновый вариант метода конечных элементов (SV FEM-2) [11], разработанный авторами и развитый для случая учета пла-

стических деформаций. Сплайновый вариантМКЭ основан на синтезе идеи предварительной параметризации срединной поверхности оболочки в цилиндрической системе координат и метода конечных элементов. Метод позволяет определять напряженно-деформированное состояние тонкостенных конструкций от статических нагрузок. При этом эффект влияния вибрации и температуры учитывается заданием актуальных интегральных жесткостных характеристик для элементов конструкций. Ниже приведены основные моменты сплайнового варианта метода конечных элементов (SV FEM-2)

• Параметризация срединной поверхности корпуса градирни. Параметрическое уравнение в цилиндрической системе координат, использованное при расчете градирни, имеет вид r t t( ^{1 2}, ) = x t t i( ^{1 2}, ) +ρ(t t e t t e t t^{1 2}, ) ( ^{1 2}, ) ( ^{1 2}, ) =sinψ(t t^{1 2}, )j+cosψ(t t k^{1 2}, ) , (3)

где x(t t^{1 2}, ) — линейные координаты; ψ(t t^{1 2}, ) — угловые координаты; ρ(t t^{1 2}, ) — кратчайшее расстояние от оси OX до срединной поверхности оболочки; t¹, t² — параметры единичного квадрата; i, j, k — единичные векторы прямоугольных осей OX, OY, OZ.

Дифференцируя радиус-вектор r , определяем координатные векторы ^r₁ и ^r₂ , компоненты первого ^a_jk и второго ^b_ik метрического тензоров и символы Кристофеля Г ⁱ_jk .

• Геометрические и физические соотношения. Рассматривается случай среднего изгиба тонкой оболочки. При этом тангенциальные и изгибные деформации срединной поверхности по модели Кирхгоффа — Лява определяются по формулам [20]

             2εik = + +eik eki ωωi k , κik =−∇iωk −b eis ks ,                                               (4)

где i k s, , = 1, 2; ^ε_ik — ковариантные компоненты тензора тангенциальных деформаций; ^κ_ik — ковариантные компоненты деформаций изгиба и кручения; ^ω_i =∇ _i ^{w b u}+ _i^k _k — компоненты вектора поворота нормали m ; e_ik =∇_iu_k −b_ikw — компоненты тензора поворота; ∇_i — знак ковариантного дифференцирования относительно ^a_ik ; ^u_k , w — ковариантные компоненты вектора перемещения (^u₁ = u u^, ₂ = v), ^b_i^s — смешанные компоненты второго метрического тензора.

Связь между интенсивностью напряжений ^σ_i и интенсивностью деформаций ε_i принимаем в виде

           σ_i = g(ε_i )ε_i .                                                                                                        (5)

Здесь g(ε_i ) — положительная функция, характерная для рассматриваемого материала.

¡ Разрешающие уравнения. Для вывода разрешающих уравнений используется вариационное уравнение Лагранжа [11]

            δW − =δA 0 ,                                                                                                     (6)

где δW — вариация потенциальной энергии деформации оболочки, δA — вариация работ внешних сил, действующих на оболочку.

В каждом из прямоугольников Ω_ij области единичного квадрата решение представляется в виде интерполяционного Эрмитового кубического сплайна двух переменных

            u =φ(s F¹) _uφ(s²), v=φ(s F¹) _vφ(s²), w=φ(s F¹) _wφ(s²) ,                            (7)

где φ( )s¹ , φ(s²) — векторы координатных функций; ^F_u,^{F F}_v^, _w — матрицы узловых значений компонент перемещений, первых и вторых смешанных производных.

Применение предварительной параметризации и представление решения в каждом из прямоугольников Ω_ij в виде кубического сплайна обеспечивают геометрическую неразрывность, а также непрерывность функции перемещений и их первых производных во всей рассматриваемой области Ω , что является важным условием сходимости к точному решению при уменьшении размеров прямоугольников Ω_ij .

Таким образом, удается получить согласованные элементы на базе гипотезы Кирхгофа — Лява для оболочек сложной геометрии.

Подставляя вариации перемещений и деформаций в вариационные уравнения Лагранжа и учитывая независимость узловых перемещений и их производных, после ряда преобразований получается система алгебраических уравнений

            [А]{U}={R}_p +{R}_n .                                                                                           (8)

Здесь [А] — симметричная матрица жесткости системы ленточной структуры;{U} — вектор неизвестных; {R} — вектор нагрузки; {R} — вектор нелинейных составляющих. Решение полученной систе-

p            n мы нелинейных алгебраических уравнений отыскиваем методом общей итераций.

Алгоритм отмеченного выше сплайнового варианта метода конечных элементов для расчета НДС оболочечных конструкций сложной геометрии в цилиндрической системе координат реализован программным комплексом SV FEM-2.

¡ Напряженно-деформированное состояние (НДС) металлической части вентиляторной градирни с учетом физической нелинейности. На базе сплайнового варианта метода конечных элементов (SV FEM-2) [11], развитого для расчета напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций сложной геометрии в цилиндрической системе координат с учетом физической нелинейности, исследуется НДС металлической части вентиляторной градирни (рис. 11).

Информация о подкреплениях задается в каждой расчетной точке в формате: площадь, статический момент и момент инерции сечения ребра. Благодаря наличию плоскости симметрии рассмотрена половина конструкций, которая разделена на 10 элементов по окружной координате (угол θ°) и 23 — по образующей. Нумерация горизонтальных сечений (рис. 11) идет снизу вверх. Нулевой угол соответствует плоскости направления ветра. Распределение давления от ветровой нагрузки, как по высоте, так и по окружной координате, взято в соответствии со строительными нормами и правилами, дей-

ствующими на территории РФ СП 20.13330.2016^[9].                                                     _{1 1}

Актуальные механические характеристики тонкостенных элементов конструкций определены экспериментальнотеоретическим методом, описанным выше. Образцы были

вырезаны из конструкции градирни, остановленной на капи-
тальный ремонт. Изменение толщин обечайки t по образующей и степень износа горизонтальных ребер W для актуального варианта (для некоторых наиболее изношенных сечений по рис. 11) приведены в таблице.	Рис. 11. Схема вентиляторной градирни И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

Изменение толщин обечайки и степень износа горизонтальных ребер

Сечение	1–1	2–2	3–3	4–4	8–8	9–9	10–10	11–11	12–12	13–13	14–14
t, mm	0,35	0,30	0,10	0,00	0,05	0,30	0,35	0,30	0,10	0,05	0,10
W , %	40	30	10	0	5	30	40	30	10	5	10

И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

 

Проанализированы поля перемещений и напряжений для исходного и актуального вариантов конструкций градирни. Выявлены существенные концентрации напряжений в дефектных областях конструкций, образовавшихся в результате коррозионного износа под воздействием вибраций от работающих вентиляторов, высоких температур от охлаждаемой среды, солнечного излучения, а также ветровых, вакуумных и весовые нагрузок. Максимальные значения интенсивностей напряжений ^σ_i по окружной координате θ^o при максимальной нагрузке в линейной постановке для первых двух горизонтальных расчетных сечений (по рис. 11) приведены на рис. 12 (сечение 1–1) и рис. 13 (сечение 2–2).

Как видно из графиков (рис. 12), концентрации напряжений на первом сечении (область опоры конфузора к железобетонной части градирни) наблюдаются в районе θ = 36⁰ и θ = 160⁰. На втором сечении (рис. 13) всплеск напряжения наблюдается в зоне θ = 63⁰. Для актуального варианта линейные напряжения превышают напряжение текучести для данного материала (^σ_m = 200 МПа).

 

σ_i,MП a                                                                                             σ_i,MПa

 

 

 

• 40° 80°          120°        160° Θ° 0

Рис. 12. Зависимость σ_i–θ° для сечения 1–1:

• — исходная; 2 — фактическая

И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

 

          40°                    80°              120°            160°    Θ°

Рис. 13. Зависимость σ_i–θ° для сечения 2–2:

1 — исходная; 2 — фактическая И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым.

 

На рис. 14 приведены изменения интенсивности напряжений в зависимости от величины нагрузки для точек D и C, расположенных в сечении 1–1; точка D — на некотором удалении от точки C возникают максимальные напряжения.

Линия F соответствует ^σ_m = 200 МПа. Как видно из графиков (рис. 14), при 82 % от максимальной нагрузки в точке С напряжение достигает σ_m и дальше практически не возрастает.

В точке D, начиная с 82 % нагружения, наблюдается, как и следовало ожидать, более интенсивный рост напряжений. То есть происходит перераспределение нагрузок.

 

                                                        70                           80                           90                         100

Figure 14. Зависимость σ_i–P для точек D и C, расположенных в сечении 1–1 И с т о ч н и к: выполнено Н.М. Якуповым

Таким образом, развит сплайновый вариант метода конечных элементов в цилиндрической системе координат с учетом пластических деформаций. Выполнены расчеты НДС для исходного и актуального состояния металлической части вентиляторной градирни. Актуальные механические свойства тонкостенных элементов конструкций определены экспериментально-теоретическим методом. Установлено, в частности, что коррозионный износ приводит к существенному росту напряжений, которые могут превышать предел текучести материала. При этом возникающие пластические деформации приводят к перераспределению напряжений.

4. Заключение

По результатам проведенного исследования следует отметить следующее:

1. Описан подход диагностики металлических конструкций на примере крупногабаритной вентиляторной градирни, испытывающих комплексное воздействие вибрации и повышенной температуры.
2. Экспериментально-теоретическим методом исследован коррозионный износ стальных тонкостенных элементов конструкций, испытывающих воздействие вибрации и температуры.
3. Установлено, что наличие вибрации и повышенная температура среды способствуют ускоренному разрушению защитного пассивирующего слоя тонкостенных стальных элементов и тем самым способствуют ускоренной коррозии. При этом с увеличением температуры и времени воздействия вибрации эффект усиливается.
4. Усовершенствован сплайновый вариант метода конечных элементов в цилиндрической системе координат и выполнены расчеты НДС металлической части вентиляторной градирни с учетом пластических деформаций для исходного и актуального состояния металлической части. При расчете актуального состояния были учтены коррозионные дефекты и изменения жесткостных свойств тонкостенных элементов, обусловленных процессом эксплуатации в результате комплексного воздействия вибрации и высоких температур.
5. Установлено, что коррозионный износ приводит к существенному росту напряжений в элементах конструкций, которые могут превышать предел текучести материала, при этом возникающие пластические деформации приводят к перераспределению напряжений.

Полученные результаты имеют важное теоретическое и практическое значение и их необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации металлических конструкций, испытывающих существенные вибрационные нагрузки и работающих при высоких температурах и под воздействием различных излучений.

Для решения проблемы безопасной работы тонкостенных конструкций, подвергающихся коррозионному износу, при диагностике состояния наряду с учетом изменения геометрических параметров, необходимо учитывать изменение механических характеристик от воздействия внешних факторов, в частности от вибрации, температуры среды и физических полей.

Об авторах

Самат Нухович Якупов

Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН

Email: tamas_86@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0047-3679
SPIN-код: 7382-4759

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Российская Федерация, 420111, г. Казань, ул. Лобачевского д. 2/31

Ришат Рашидович Гиниятуллин

Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН

Email: true_way@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2176-6913
SPIN-код: 7606-3211

кандидат технических наук, научный сотрудник

Российская Федерация, 420111, г. Казань, ул. Лобачевского д. 2/31

Нух Махмудович Якупов

Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН

Email: yzsrr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8248-1589
SPIN-код: 2933-5615

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

Российская Федерация, 420111, г. Казань, ул. Лобачевского д. 2/31

Васил Габдулхаевич Низамеев

ООО «РЕМСТРОЙПРОМПРОЕКТ»

Email: nizameev@kgasu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8525-7611
SPIN-код: 8079-8186

кандидат физико-математических наук, главный инженер проектов

Российская Федерация, 421001, г. Казань, ул. Чистопольская, д. 75, офис 16

Марина Игоревна Рынковская

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: rynkovskaya-mi@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-2206-2563
SPIN-код: 9184-7432

кандидат технических наук, доцент кафедры технологий строительства и конструкционных материалов, инженерная академия

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы

Дополнительные файлы