Напряженно-деформированное состояние защитного покрытия нарезной трубы при термосиловом воздействии высокотемпературного потока продуктов горения

Введение. Теплозащитное гальваниче-  комплексе мероприятий, обеспечивающих требу- ское покрытие (ТЗП) канала трубы применяют в  емый ресурс трубы, испытывающей высокоэрози онное воздействие потока высокотемпературных

EDN ORGYCS продуктов горения (ПГ). Исследованию процессов, приводящих к разрушению и сходу защитного покрытия в цилиндрическом канале трубы, посвящено ряд авторских работ [1 – 7].

Разрушение ТЗП трубы на фрагменты исследовано авторами в работе [7]. В результате были получены зависимости величины фрагментов от условий нагружения для трубы с цилиндрическим каналом. Однако, в случае трубы с нарезами, напряженно-деформированное состояние (НДС) поверхности канала значительно отличается от осесимметрического вследствие рельефной поверхности, образованной чередующимися регулярно нарезами и выступами (рисунок 1).

В работе [8] проведено исследование механического воздействия деформируемого обтюрирующего элемента на деструктурированную поверхность ТЗП. В результате получены кар- тины распределения напряжений в покрытии, которые поясняют качественную характеристику процесса разрушения и схода защитного покрытия начиная с сечения перехода канала трубы от конической в цилиндрическую часть. Однако количественные характеристики в большой мере определяются формой и размерами фрагментов ТЗП, образующихся в процессе термосилового воздействия ПГ на поверхность канала нарезной трубы.

Основная часть

В данном исследовании получено решение мультифизической задачи термосилового нагружения сечения нарезной 155 мм трубы кратковременным тепловым и силовым импульсами. Значения импульсов нагружения определялись в соответствии с графиками, приведенными на рисунках 2 и 3.

Рисунок 1 – Схема нагружения трубы

Так как значимого влияния НДС на тепловое состояние стенки ствола не выявлено, то решение получено в два этапа. На первом этапе были рассчитаны температурные поля в стенке трубы, которые на втором этапе были использованы в качестве исходных данных при расчете НДС от теплового воздействия и давления ПГ совместно.

Рисунок 2 – Давление на стенку канала трубы в рассматриваемом сечении

Рисунок 3 – Изменение коэффициентов теплоотдачи и температуры ПГ во время цикла нагружения

Анализ НДС и теплового состояния проводился в четырех характерных зонах (рисунок 4). Результаты оценки теплового состояния середины и ребра поля, а также середины дна нареза и основания выступа представлены на рисунке 5. Распределение температур в момент достижения наибольшей температуры на гранях полей приведено на рисунке 6.

Из результатов следует, что наибольшая температура поверхности канала трубы в середине поля нареза почти на 200 градусов выше, чем в середине дна нареза.

Рисунок 4 – Характерные области сечения нарезной трубы : а) – средина поля выступа; б) – ребро поля выступа; в) – основание дна выступа; г) – середина дна выступа

Рисунок 5 – Тепловое состояние покрытия на поверхности канала и на границе с основой

Наибольшие значения температур за время теплового действия цикла наблюдаются на ребре поля выступа, где температура может достичь 1494 °C, наименьшие значения определены при этом у основания выступа (таблица 2). Характерно, что середина поля и дна нарезов имеют практически одинаковую температуру. Равенство получается из-за одинаковых значений вводимых в расчет коэффициентов теплоотдачи и относительно короткого времени процесса, сводящего задачу теплопроводности практически к одномерной.

Рисунок 6 – Результаты теплового расчета в момент достижения наибольшей температуры

Геометрия канала с чередующимися нарезами и выступами оказывает, однако, существенное влияние на неравномерное распределение напряжений по сечению трубы. Наиболее выраженный характер неравномерность имеет место у основания выступов, где наблюдается местное увеличение напряжений, вызванное увеличением жесткости перехода основания выступа к сплошной стенке трубы.

Распределение эквивалентных напряжений в момент достижения наибольших значений (0,0038 с), приведен на рисунке 7. Как видно из рисунка 28, поле выступа под воздействием нагрева стремится расшириться, в то же время, основание выступа лишено такой возможности, в результате чего у основания выступа (по нижней грани) формируются избыточные эквивалентные напряжения.

Уровни напряжений у основания выступа, а также в середине поля значительно превышают предел прочности хромового гальванического покрытия (700 – 800 МПа). Что является условием образования трещины в покрытии в указанных местах.

Таблица 2 – Наибольшее значение температур за время теплового воздействия цикла, °C

Значение температуры	В середине поля выступа	В середине дна нареза	На ребре поля выступа	У основания выступа
На поверхности канала трубы	~ 1294	~ 1295	~ 1494	~ 1209
На границе покрытия и основы	~ 871	~ 870	~ 1173	~ 751

__I___1__J___L              —

2222 Мах 1714,7       1207,3       700         285,11

1968,3        1461         953,67       492,55

Рисунок 7 – Распределение эквивалентных напряжений в трубе под воздействием нестационарного теплового потока и давления (деформационный фактор при выводе результатов ×100): а) – в приканальной зоне; б) – отдельно в покрытии

На рисунках 8,9 показаны графики изменения напряжений в опасных зонах выступа

Время, с

Рисунок 9 – Эквивалентные напряжения у основа- ния выступа нареза

Из приведенных графиков видно, что напряжения изменяются во времени по-разному. Так в середине поля они быстро падают от своих наибольших значений, в то время как у основания выступа изменяются менее интенсивно.

Интенсивность разрушения хромового покрытия определяется схемой нагружения.

На рисунке 11 показаны изменения главных напряжений в покрытии в середине поля.

Рисунок 10 – Эквивалентные напряжения в ребрах поля нареза

нарезки.

Рисунок 8 – Эквивалентные напряжения в середине поля нареза

Из графика следует, что главные напряжения на протяжении всего времени нагружения остаются отрицательными, а их величина и изме- нение во времени практически полностью определяют интенсивности напряжений. Так, что ТЗП работает в условиях всестороннего сжатия, препятствующего трещинообразованию. Подобные выводы были сделаны и для других, рассматриваемых зон выступов нарезов.

Рисунок 11 – Главные напряжения в середине поля

Для ребер нарезов характерен относительно невысокий уровень напряжений (рисунок 10). Однако их величина практически достигает предела прочности хромового покрытия. Следует также отметить, что в этих зонах достигается наибольшая температура. В расчетах получена ~ 1494 °C на поверхности ТЗП, причем 1173 °C на поверхности стальной стенки., что значительно превышает значения критических точек стали Ас1(Ас3). Такой уровень температуры приводит к полиморфическим превращениям в стальной подложке, способствующем сходу ТЗП.

Заключение

В результате постановки и решения муль-тифизической задачи нагружения нарезной трубы с ТЗП термосиловым импульсом ПГ исследованы величины температуры и напряжений, а также их распределение в сечении трубы. Результаты численного моделирования показали, что температура и напряжения в ТЗП и приканальном слое стенки трубы распределены неравномерно и достигают критических значений, оказывающих деструктивное влияние на ТЗП и сталь в приканальном слое.

Наибольшие значения температуры достигаются в ребрах выступов нарезов, причем на поверхности стали значительно превышающие значения критических точек стали Ас1(Ас3).

Наибольшие значения напряжений достигаются у основания выступа и в середине поля нареза. Причем на поверхности канала трубы их значения намного превышают предел прочности материала ТЗП, а на поверхности стали (в данном расчетном случае) достигаются значения близкие к пределу прочности стали.

Несмотря на высокие значения приведенных напряжений, проведенный расчетный анализ показывает, что ТЗП и приканальный слой стальной трубы работают в условиях всестороннего сжатия, что способствует стойкости ТЗП.