Розробка методики розрахунку напруженого стану і ресурсу генератора водню методом скінченних елементів

Автори

П. П. Гонтаровський, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: gontarpp@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8503-0959

Н. В. Сметанкіна, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: nsmetankina@ukr.net, ORCID: 0000-0001-9528-3741

Н. Г. Гармаш, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: garm.nataly@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4890-8152

І. І. Мележик, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: melezhyk81@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8968-5581

Т. В. Протасова, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: tatyprotasova@gmail.com, ORCID: 0000-0003-1489-2081

Анотація

Для дослідження водневого термобарохімічного впливу на ідентифікацію видобутку вуглеводнів створено експериментальний комплекс, який дає змогу відтворити хіміко-технологічні процеси, максимально наближені до реальних пластових. Цей комплекс дозволяє досліджувати кінетику протікання не лише водневого і термобарохімічного впливу, а й інших термогазохімічних процесів, у тому числі з генеруванням водню. Головним елементом експериментального комплексу є генератор водню, складові якого працюють при високих тисках і температурах в умовах водневого окрихчування механічних властивостей і агресивного середовища, що породжує корозію його внутрішньої поверхні. Виходячи з цього набуває актуальності розробка методики розрахунку термонапруженого стану генератора, його міцності в умовах водневого окрихчування й ресурсу. На основі методу скінченних елементів запропоновано методику розрахунку нестаціонарних температурних полів і термонапруженого стану, що мають місце в генераторі водню при протіканні термобарохімічних процесів різної інтенсивності. Методика дозволяє враховувати особливості геометрії конструкції, змінні за часом розподіли температур і тиску продуктів реакції, залежність від температури теплофізичних і механічних властивостей матеріалу генератора водню. Завдяки застосуванню розробленого програмного забезпечення проведено дослідження термонапруженого стану генератора водню при протіканні двох реальних термобарохімічних процесів різної інтенсивності. Використано графіки зміни за часом температур і тиску продуктів реакції гідрореагуючих речовин у генераторі, які було зареєстровано при протіканні експерименту. Отримано розподіл нестаціонарних температурних полів і напружень в елементах генератора водню. Визначено області максимального навантаження елементів генератора. Установлено, що при протіканні досліджених термобарохімічних процесів більший внесок у термонапружений стан дає тиск. Одержані результати й розроблені методичне і програмне забезпечення можуть використовуватися при дослідженні генераторів інших конструкцій з іншими термобарохімічними процесами, що протікають у них.

Ключові слова: генератор водню, термобарохімічний процес, температурні поля, термонапружений стан, ресурс.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. Велігоцький Д. О., Кравченко О. В. Створення перспективної водневої технології підвищення дебіту та глибини вилучення нафти через використання воденьгенерувальних наносуспензій. Актуальні проблеми та перспективи розвитку геології: наука й виробництво: матеріали V Міжнародного геологічного форуму (ГЕОФОРУМ–2018), 18–23 червня, 2018, Одеса. К.: УкрДГРІ, 2018. Т. 2. С. 99–107.
2. Кравченко О. В., Велигоцкий Д. А., Авраменко А. Н., Хабибуллин Р. А. Совершенствование технологии комплексного воздействия на продуктивные пласты нефтяных и газовых скважин. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2014. Т. 6. № 5 (72). С. 4–9. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.29316.
3. Велигоцкий Д. А., Баштовой А. В. Установка для комплексных исследований проницаемости и фильтрационных характеристик кернов горной породы. Современные проблемы машиностроения: тезисы докладов конференции молодых ученых и специалистов, 17–20 апреля, 2018, Харьков, ИПМаш им. А. Н. Подгорного НАНУ. Харьков: ИПМаш им. А. Н. Подгорного НАНУ, 2018. C. 30.
4. Kravchenko O., Veligotskyi D., Bashtovyi A., Veligotska Yu. Improving the controllability and effectiveness of the chemical-technological process of the technology for hydrogen thermobaric chemical stimulation of hydrocarbon recovery. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. Vol. 6. No. 6 (102). P. 57–66. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.188615.
5. Овчинников И. И. Исследование поведения оболочечных конструкций, эксплуатирующихся в средах, вызывающих коррозионное растрескивание. Науковедение. 2012. № 4. С. 1–30.
6. Василенко И. И., Мелехов Р. К. Коррозионное растрескивание сталей. Киев: Наукова думка, 1977. 264 с.
7. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 216 с.
8. Подгорный А. Н., Гонтаровский П. П., Киркач Б. Н., Матюхин Ю. И., Хавин Г. Л. Задачи контактного взаимодействия элементов конструкций. Киев: Наукова думка, 1989. 232 с.
9. Hontarovskyi P. P., Smetankina N. V., Garmash N. H., Melezhyk I. I. Analysis of crack growth in the wall of an electrolyser compartment. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2020. Vol. 23. No. 4. P. 38–44. https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.038.
10. Hontarovskyi Р. P., Smetankina N. V., Ugrimov S. V., Garmash N. H., Melezhyk I. I. Numerical investigations of the crack resistance of ion-exchange strengthened sheet glass under bending strains. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. Vol. 24. No. 3. P. 27–34. https://doi.org/10.15407/pmach2021.03.027.
11. Механіка руйнування та міцність матеріалів: Довід. посіб. / Під заг. ред. В. В. Панасюка. Т. 7: Надійність та довговічність елементів конструкцій теплоенергетичного устаткування / І. М. Дмитрах, А. Б. Вайнман, М. Г. Стащук, Л. Тот. Під ред. І. М. Дмитраха. Київ: ВД «Академперіодика», 2005. 378 с.
12. Hontarovskyi Р. P., Smetankina N. V., Ugrimov S. V., Garmash N. H., Melezhyk I. I. Computational studies of the thermal stress state of multilayer glazing with electric heating. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2022. Vol. 25. No. 2. P. 14–21. https://doi.org/10.15407/pmach2022.02.014.

Надійшла до редакції 10.09.2022