Аналіз росту тріщини в стінці електролізерної камери

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: 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

Анотація

Електролізерні установки широко застосовуються у різних галузях промисловості. Вони являють собою ємності високого тиску з камерою та розміщеними у ній електродами, які скомпоновані в пакети, а також кришку і патрубки. До їхніх технічних характеристик ставляться високі вимоги, що підтверджують актуальність проблеми удосконалення методів досліджень. Для моделювання кінетики термонапруженого стану в елементах енергоустановок зі складними реологічними характеристиками матеріалу й з урахуванням його пошкоджуваності на базі методу скінченних елементів розроблена спеціальна методика й програмний комплекс, що дозволяють у тривимірній постановці розв’язувати широкий клас нелінійних нестаціонарних задач із одночасним урахуванням усіх чинних факторів. Дослідження кінетики тріщини виконані з використанням методики розрахункової оцінки живучості елементів конструкцій, яка базується на принципах механіки крихкого руйнування. При цьому зона пластичності у вершині тріщини приймається малою у порівнянні з її розмірами, а кінетика тріщини визначається коефіцієнтами інтенсивності напружень у її вершинах. Методика ґрунтується на розрахунках кінетики тріщини до критичних розмірів, коли відбувається лавиноподібне руйнування елемента конструкції або тріщина проростає наскрізь по товщині елемента. Кінетика напівеліптичної тріщини, яка виходить на внутрішню поверхню стінки електролізерної камери, досліджувалася під дією статичного й циклічного навантажень. Із використанням розробленої методики виконані розрахункові дослідження термонапруженого стану верхньої частини електролізерної комірки. Отримані результати показують, що циліндрична частина кришки є найбільш навантаженою. Виконані дослідження розвитку внутрішньої поверхневої напівеліптичної тріщини, яка зародилася в цій зоні. Установлено, що при малій кількості циклів за рік тріщина буде довго підростати до певної глибини, далі швидкість її росту від статичного навантаження збільшується так швидко, що ростом тріщини від циклічного навантаження можна знехтувати.

Ключові слова: електролізер, наводнювання, напружено-деформований стан, середовище, тріщина.

Література

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.

Надійшла до редакції 28 серпня 2020 р.