Введение к работе
з
Актуальность работы. Проблема использования судовых котлов и сосудов под давлением (СПД), срок эксплуатации которых 20 лет и более, становится всё более актуальной в связи с увеличением возраста судов морского флота, находящихся в эксплуатации. На каждом судне эксплуатируются несколько сосудов под давлением и на большинстве один или более паровых котлов, которые представляют потенциальную опасность и требуют пристального внимания судового персонала.
Безопасная работа эксплуатирующихся котлов и сосудов под давлением зависит от двух основных факторов:
-
обеспечения правильного обслуживания в соответствии с инструкцией по эксплуатации;
-
своевременного определения предельного состояния объекта.
В сложившейся практике эксплуатации судовых котлов и СПД для оценки их технического состояния используются периодические наружные и внутренние осмотры (освидетельствования) и гидравлические испытания. К недостаткам этих методов следует отнести в первую очередь недостаточное количество информации для оценки фактического технического состояния и возможный вред, который наносится конструкции при опрессовке котла и сосуда под давлением. Основной целью гидравлических испытаний является проверка прочности изделий и сборочных единиц (узлов). При этом предполагается, что имеющиеся в материалах изделия дефекты, являющиеся источником возникновения трещин при механическом нагружении должны проявиться при повышении давления в виде сквозных трещин. В работе исследованы факторы, влияющие на эффективность проведения гидравлических испытаний. Интенсивность основных деградационных процессов, протекающих в котлах и СПД, зависит от величины механических напряжений в металле. Это делает актуальной задачу более точного определения мест наибольшей концентрации напряжений.
Для решения вышеуказанных задач в данной работе выполнены расчёты типовых узлов и конструкций методом конечных элементов, позволяющие определять поля напряжений, места и величины наибольших концентраций напряжений. Определение мест наибольшей концентрации напряжений позволяет сосредоточить внимание при освидетельствовании и дефектации на наиболее напряжённых местах этих конструкций, уменьшить объём дефектации и повысить её результативность.
Цель и задачи исследования. Целью работы является увеличение ресурса и повышение безопасности судовых котлов и сосудов под давлением за счёт применения технологий, повышающих эффективность технического обслуживания и более экономично расходующих ресурс.
В более узком смысле цель работы состоит в исследовании и научном обосновании применения более экономичных технологий ведения технического наблюдения и надзорной деятельности для повышения безопасности судовых котлов и сосудов под давлением в эксплуатации и продления их срока службы. Кроме того, в результате совершенствования технических требований Регистра, произошло уменьшение затрат судовладельцев на поддержание судовых котлов и сосудов под давлением в безопасном состоянии. Для этого решены следующие задачи:
проведён анализ требований по надзору за судовыми котлами и
сосудами под давлением отечественных и зарубежных
классификационных обществ;
собран и проанализирован материал по аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра;
проведён анализ влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением на основе законов механики разрушения;
сформулированы и описаны математически условия, при которых во время гидравлических испытаний происходит начало роста трещин (условие старта трещин) и условия, при которых происходит прекращение роста трещин до их выявления (условие остановки трещин);
выполнены расчёты с использованием метода конечных элементов и исследовано напряжённо-деформированное состояние в типовых узлах котлов и сосудов под давлением для определения наиболее слабых мест конструкций;
проведена сравнительная оценка результатов расчетов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и данных тензометрирования подобных конструкций и результатов аварий аналогичных конструкций для оценки адекватности. Метод исследования - в работе использован расчётно-теоретический метод с привлечением для апробации ранее опубликованных данных тензометрирования и аналитического исследования причин аварий котлов и сосудов под давлением. Для решения поставленных задач применялись: теоретический анализ проблемы, исследование данных по
і » * Г. .. ! Л*- -
авариям, численное моделирование на ЭВМ с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Научная новизна работы:
произведено обобщение данных по аварийности котлов на судах с классом Регистра за период 1980 - 2003 гг.;
разработана методика предварительного определения участков наиболее вероятного появления усталостных и коррозионных дефектов на основе расчёта типовых конструкций котлов и сосудов под давлением методом конечных элементов;
разработаны и сформулированы условия старта и остановки роста трещиноподобных дефектов в процессе проведения гидравлических испытаний, которые являются условием обнаружения дефекта при гидравлических испытаниях.
Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований
разработаны нормативные технические требования, направленные на
продления срока службы судовых котлов и сосудов под давлением.
В частности снижено давление гидравлических испытаний и
исключены требования об обязательном периодическом проведении
гидравлических испытаний, что внедрено в Правила
классификационных освидетельствований судов Регистра и в Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации.
Разработан и рекомендован к применению при освидетельствованиях котлов и сосудов под давлением "Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением ". Основные положения выносимые на защиту:
комплекс научно-обоснованных рекомендаций по повышению эффективности процесса технического наблюдения за эксплуатацией судовых котлов и сосудов под давлением;
научное обоснование технических предложений по изменению требований Регистра по проведению гидравлических испытаний судовых котлов и сосудов под давлением;
на основе положений механики разрушения сформулированы условия обнаружения дефектов во время гидравлических испытаний: условия начала роста _и отсутствия остановки трещиноподобных дефектов в зависимости от величины концентрации напряжений и пробного давления.
Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных исследований отражены в 10 публикациях, доложены и обсуждены на конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти
6
академика Ю-А.Шиманского (ФГУП ЦНИИ имени академика
А.Н.Крылова, ВНТО имени академика А.Н.Крылова, Санкт-Петербург,
2003); на конференции посвященной 300-летию Адмиралтейских верфей
(Санкт-Петербург, 2004); на заседании секции "Судовые котлы, системы,
холодильные установки" Научно-Технического совета Регистра; на
семинарах главных инженеров-инспекторов по механической
специальности в Главном управлении Регистра (Санкт-Петербург, 2000
и 2003). Примером применения результатов работы на практике может
служить освидетельствование с использованием Альбома напряжённо-
деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов
под давлением, проведённое в рамках рассмотрения проекта болгарской
фирмы «Булхелинг ООД», в котором планировалось использование
железнодорожных цистерн в качестве грузовых ёмкостей
танкера-газовоза для перевозки пропан-бутана.
Реализация результатов исследования. Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы :
в Правилах технического наблюдения за судами в эксплуатации Российского морского регистра судоходства 2004 года издания;
в Альбоме напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением, включённом в Сборник нормативно-методических материалов Российского Морского Регистра Судоходства. Кн. 14, изданном в 2004 году;
в материалах технической учёбы в рамках семинара главных инженеров-инспекторов по механической специальности в 2003 году. Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, включает 147 страниц машинописного текста, втом числе 51 рисунков, 9 таблиц, библиографии из 83 наименований. Структурно-логическая схема исследования приведена на рис.1.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы нашли отражение в 10 публикациях (см. перечень в конце автореферата) и положены в основу нормативно-методических документов Регистра
Аварии, связанные с
потерей хода и
невозможностью
разгрузки, ремонтом
Анализ аварийности котлов и сосудов под давлением с классом Регистра в 1980-2003г.
Анализ требования
Российского Морского
Регистра судоходства и других
классификационных обществ
\
Идентификация
Аварии, связанные
с утечками опасных веществ
опасностей при
эксплуатации судовых
котлов и сосудов под
давлением
Формализованная
оценка безопасности
аммиачных
холодильных установок
Взрывы котлов и СПД Определение деградационных процессов, приводящих к взрывам
Аварии,
связанные с
термическими
напряжениями
Определение узлов
возникновения
малоцикловой усталости
на основе исследования
аварийных случаев
Рекомендации по устранению конструктивных недостатков
Рекомендации по изменению требований Правил PC
Аварии,
связанные с
коррозионным
износом
Определение точек
максимальной
концентрации
напряжений
Альбом
напряженного
состояния типовых
конструкций
Уменьшение затрет на
дефектацию, ремонт и
испытания котлов и
сосудов под
давлением
Аварии, связанные
с колебаниями
давления
Исследование
напряженного состояния
типовых конструкций
методом конечных
элементов
Обоснование
отмены
проведения
периодических
гидравлических
испытаний
Увеличение срока
службы судовых
котлов и сосудов
под давлением
Рисі Схема исследования
