Анализ роста трещины в стенке электролизерной камеры

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.038
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 23, № 4, 2020 (декабрь)
Страницы 38–44

 

Авторы

П. П. Гонтаровский, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: gontarpp@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8503-0959

Н. В. Сметанкина, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: nsmetankina@ukr.net, ORCID: 0000-0001-9528-3741

Н. Г. Гармаш, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: garm.nataly@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4890-8152

И. И. Мележик, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: melezhyk81@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8968-5581

 

Аннотация

Электролизерные установки имеют широкое применение в различных отраслях промышленности. Они представляют собой емкости высокого давления и камеру с помещенными в нее электродами, которые скомпонованы в пакеты, и имеют крышку, а также подводящий и отводящий патрубки. К их техническим характеристикам предъявляются высокие требования, подтверждающие актуальность проблемы усовершенствования методов исследований. Для моделирования кинетики термонапряженого состояния в элементах энергоустановок со сложными реологическими характеристиками материала и с учетом его повреждаемости на базе метода конечных элементов разработана специальная методика и программный комплекс, позволяющие в трехмерной постановке решать широкий класс нелинейных нестационарных задач с одновременным учетом всех действующих факторов. Исследования кинетики трещины выполнены с использованием методики расчетной оценки живучести элементов конструкций, которая базируется на принципах механики хрупкого разрушения. При этом зона пластичности в вершине трещины принимается малой по сравнению с ее размерами, а кинетика трещины определяется коэффициентами интенсивности напряжений в ее вершинах. Методика основывается на расчетах кинетики трещины до критических размеров, когда происходит лавиноподобное разрушение элемента конструкции или трещина прорастает насквозь по толщине элемента. Кинетика полуэллиптической трещины, выходящей на внутреннюю поверхность стенки электролизерной камеры, исследовалась под действием статического и циклического нагружений. С использованием разработанной методики выполнены расчетные исследования термонапряженного состояния верхней части электролизерной ячейки. Полученные результаты показывают, что цилиндрическая часть крышки является наиболее нагруженной. Выполнены исследования развития внутренней поверхностной полуэллиптической трещины, которая зародилась в этой зоне. Установлено, что при малом количестве циклов за год трещина будет долго подрастать до определенной глубины, далее скорость ее роста от статического нагружения увеличится так быстро, что ростом трещины от циклического нагружения можно будет пренебречь.

 

Ключевые слова: электролизер, наводораживание, напряженно-деформированное состояние, среда, трещина.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  1. Solovei V. V., Kotenko A. L., Vorobiova I. O., Shevchenko A. A., Zipunnikov M. M. Basic operation principles and control algorithm for a high-pressure membrane-less electrolyser. J. Mech. Eng. 2018. Vol. 21. No. 4. P. 57–63. https://doi.org/10.15407/pmach2018.04.057.
  2. Tarzimoghadam Z., Ponge D., Klower J., Raabe D. Hydrogen-assisted failure in Ni-based superalloy 718 studied under in situ hydrogen charging: the role of localized deformation in crack propagation. Acta Materialia. 2017. Vol. 128. P. 365–374. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.02.059.
  3. Ivaskevich L. M., Balitskii A. I., Mochulskyi V. M. Influence of hydrogen on the static crack resistance of refractory steels. Materials Sci. 2012. Vol. 48. No. 3. P. 345–354. https://doi.org/10.1007/s11003-012-9512-z.
  4. Балицький О. І., Семерак М. М., Балицька В. О., Субота А. В., Еліаш Я., Вус О.Б. Зміна міцнісних властивостей водневих балонів на енергоблоках електростанцій за тривалої експлуатації. Пожежна безпека. 2013. Т. 23. С. 20–28.
  5. Balitskii A. I., Ivaskevich L. M. Assessment of hydrogen embrittlement in high-alloy chromium-nickel steels and alloys in hydrogen at high pressures and temperatures. Strength Materials. 2018. Vol. 50. P. 880–887. https://doi.org/10.1007/s11223-019-00035-2.
  6. Dmytrakh I. M., Leshchak R. L., Syrotyuk A. M., Barna R. A. Effect of hydrogen concentration on fatigue crack growth behavior in pipeline steel. Intern. J. Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. Iss. 9. P. 6401–6408. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.11.193.
  7. Овчинников И. И., Овчинников И. Г. Влияние водородосодержащей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них. Науковедение. 2012. № 4. С. 1–28.
  8. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Зайцев Б. Ф. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергоагрегатов (модели, методы, результаты исследований). Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2011. 370 с.
  9. Shul’zhenko M. G., Gontarovskyi P. P., Garmash N. G., Melezhyk I. I. Thermostressed state and crack growth resistance or rotors of the NPP turbine K-1000-60/1500. Strength Materials. 2010. Vol. 42. P. 114–119. https://doi.org/10.1007/s11223-010-9197-1.
  10. Визначення розрахункового ресурсу та оцінка живучості роторів і корпусних деталей турбін. Методичні вказівки: СОУ- Н МЕВ 40.1–21677681– 52:2011 / М. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровський, Ю. І. Матюхін, І. І. Мележик, О. В. Пожидаєв. К.: ОЕП «ГРІФРЕ»: М-во енергетики та вугільної пром-сті України, 2011. 42 с.
  11. Ovchinnikov A. V. An interpolation method of calculation of stress intensity factors. Strength Materials. 1988. Vol. 20. P. 710–717. https://doi.org/10.1007/BF01530081.
  12. Методические рекомендации МР 125-02-95. Правила составления расчётных схем и определение параметров нагруженности элементов конструкций с выявленными дефектами. М.: ЦНИИТМАШ, 1995. 52 с.
  13. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.
  14. Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довід. посіб. / Під заг. ред. В. В. Панасюка. Т. 8: Міцність матеріалів і довговічність елементів конструкцій атомних електростанцій / О. І. Балицький, О. В. Махненко, О. О. Балицький, В. А. Грабовський, Д. М. Завербний, Б. Т. Тімофєєв. Під ред. О. І. Балицького. Київ: ВД «Академперіодика», 2005. 534 с.

 

Поступила в редакцию 28 августа 2020 г.