بخشی از مقاله
چکیده
در بسیاری از صنایع مانند صنعت نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع نیروگاهی، راکتورهای شیمیایی و هستهای کاربرد مخازن تحت فشار و تحت دمای بالا رواج دارد. در این موارد مطالعه رفتارها و آسیبهای خزشی اهمیت مییابد. در دهه گذشته مطالعات زیادی در مورد خطر حضور ترک در این نوع ساختارها انجام شده است. با این وجود بررسی ترکهای محیطی تاکنون مورد توجه قرار نگرفتهاند.
این نوع ترک ها میتوانند در محل خط جوش یا اتصال مخازن پدید آیند. در دورهی بهرهبرداری حضور این عیوب میتواند موجب خسارات جبران ناپذیری گردند. طراحی و ارزیابی عمر باقی مانده در اجزایی که دارای ترک یا نقص هستند به اطلاعات دقیق و قابل اعتمادی از میدان تنش نیاز دارد. در راستای تحلیل تنش و بررسی آسیبهای خزشی در مخازن تحت فشار، در این مطالعه یک سیلندر از فولاد آلیاژی Cr-Mo تحت فشار داخلی، دارای ترک نیمه بیضوی در راستای محیطی از سطح داخلی و در دمای بالا مورد مطالعه قرارگرفته است.
هندسه و مصالح مورد بررسی دارای کاربرد صنعتی عمومی میباشد. فرض میشود رفتار خزشی ماده از مدل نورتن پیروی نماید. محیط حل در نرم افزار اجزاء محدود Abaqus شبیهسازی، المان بندی و تحلیل میشود. با مقایسه موردی نتایج حل با کارهای مشابه قبلی، دقت روش و نتایج ارزیابی میشود. پس از اطمینان از کارآئی روش تحلیل، پارامتر خزشی C* که شاخصی از وضعیت بحرانی ترک است، محاسبه و تاثیر پارامترهای هندسی نظیر عمق و طول ترک، ابعاد مخزن، روی این پارامتر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نتایج در قالب نمودارهای مختلف ارائه خواهد شد. همچنین به منظور مطالعه نحوه توسعه آسیب، با یک تحلیل گامی انتشار پروفیل و تغییر عمق وطول ترک در یک نمونه از مخازن مورد بررسی مشخص میشود. با توجه به نتایج بدست آمده عمر باقی مانده برای مخزن مورد مطالعه معرفی خواهد شد.
مقدمه
افزایش دائمی تقاضای صنعت برای قطعات استوانهای و کروی یا قسمتهایی از آنها برای استفاده در صنایع نظامی، شیمیایی، هستهای ،تولید برق و انتقال سیال،توجه طراحان را روی طراحی و تولید این سازههای مهندسی متمرکز کرده است. با توجه به کاربرد فراوان مخازن جداره ضخیم و استفادههای فراوان آنها در صنعت و از آنجایی که این گونه مخازن، تحت فشار و دماهای بالایی قرار دارند، وجود نقص و ترک و متعاقب آن شکست مخزن میتواند آسیب های جدی و پر هزینه به بار آورد. تخمین شرایط مربوط به رشد ترک نیازمند شناسایی میدانهای تنش در اطراف ترک و پارامترهای نوک ترک است.
از آنجا که در درجه حرارت بالا پدیده خزش در قطعات اهمیت مییابد، لذا برای تحلیل رشد ترک و میدان تنش در نوک ترک ،اندازهگیری پارامترهای غیرخطی نوک ترک در این شرایط دارای اهمیت است - رضایی، . - 1387 در ارزیابی یک قطعه آسیب دیده در دمای بالا و محاسبه دامنه تنش - نرخ کرنش در نوک ترک، تخمین دقیق کانتور- انتگرالهای وابسته به زمان از جمله کانتور- انتگرال C - t - ضروری میباشد این انتگرالها به طور عمومی نرخ انرژی صرف شده در شکافتن ترک را معرفی میکنند. در حالت خزش گسترش یافته یعنی وقتی W، C* به جای مقدار C - t - استفاده می شود. مطالعه C* به دلیل ارتباط نزدیک آن با پدیده رشد ترک و زوال استحکام، مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است
از سالها پیش تحقیقات فراوانی در زمینه مخازن انجام شده است که مطالعه مخازن دارای ترک به مراتب جدیدتر به حساب میآیند. کاربرد ضریب شدت تنش به عنوان پارامتر مشخصه رشد ترک در تمامی نشریات قابل توجه است. با ظهور تمدن پسا- صنعتی، به منظور بهبود در بهرهوری سیستمهای تبدیل انرژی، فشار و دماهای بالاتری بکار گرفته شدهاند. این شرایط کاری خطر شکست ساختار تحت رژیم خزشی را افزایش میدهد شواهد کافی نشان داده اند که K و -J انتگرال برای تفسیر نرخ رشد ترک تحت شرایط خزش، پارامترهای مناسبی نیستند و برای مطالعه خزش توسعه یافته، پارامتر -C*انتگرال بسیار کاربردیتر است
درکارهای نظری شیوههای مختلفی برای تعیین C* ابداع و معرفی شده است. یکی از متداولترین روشهای محاسبهی این کمیت، الگو برداری از روش محاسبهی کانتور - انتگرال J است. از شبیهسازی هاف میتوان برای محاسبهی-C* انتگرال از روی -J انتگرال استفاده کرد. در عمل با جایگزینی نرخ کرنش به جای کرنش در معادلات تخمین -J انتگرال موجود در منابعی نظیر هندبوک میتوان -C*انتگرال را تخمین زد اما این رویکرد فقط برای موادی با قانون خزش توانی استفاده شده است.
علاوه بر آن حلهای GE/EPRI تنها برای هندسههای محدودی وجود دارد، بنابراین کاربرد این روش کاملا محدود است. روش تنش مرجع که در واقع توسط اینسورث ارایه شد - Ainsworth, 1984 - و در حال حاضر در آییننامههای بهرهبرداری 5R و - Ainsworth, 1999 - 6R تعمیم یافته است. این رویکرد میتواند بر مشکلات ذکر شده در روش GE/EPRI غلبه کند.
بنابراین این روش با هر قانون خزشی و هر هندسهای بر پایه اطلاعات تنش-کرنش یا تنش - خزش به عنوان ورودی برای محاسبه J یا C* قابل استقاده است. اما بخش اصلی روش تنش مرجع تعیین تنش مرجع است. تعیین تنش مرجع برای هندسههای پیچیده مخصوصا برای هندسههایی با ترک داخلی که تعیین بار حد مشکل و مبهم است دارای مشکلاتی است.
یک روش جایگزین مناسب استفاده از آنالیز المان محدود با استفاده از منحنیهای تغییرشکل -خزش واقعی است. در مطالعه خزش در اطراف محیطهای دارای ترک، تحلیل های محدودی به خصوص در زمینهی مخازن تحت فشار انجام شده است بانگ یان و همکاران - Bong Yoon, 2003 - رشد ترک خزشی در مخازن تحت فشار با ترک سطحی محوری را تحلیل کردند.
از انجایی در بسیاری از مطالعات قبل ترکهایی محدود محوری را به صورت ترک هایی با طول بینهایت تحلیل میکردند، انها در این مطالعه روش جدیدی را ارائه کردن که دیگر به این فرض نیازی نداشت. کیم 1و همکاران - - Yun-Jae, 2002، یک روش تنش مرجع بهبود یافته برای تخمین - C* انتگرال معرفی کردند که محدودیت روش های قبلی را نداشت. آنها شش هندسه متفاوت شامل هندسههای دوبعدی، تقارن محوری و سه بعدی را مورد ارزیابی قرار دادندکه نتایج حاصله تطابق خوبی با نتایج روشهای قبلی داشت. فولتی و همکاران - folleti et al, 2013 - با انجام تست CCG بر روی نمونه CT از یک فولاد %12 درصد کروم که در ساخت دیسک توربین استفاده میشود خواص خزشی مربوط را بدست آوردند و سپس با تحلیل FEM به بررسی تاثیر خزش بر دیسکهای دوار ترکدار پرداختند.
رضایی و همکاران - رضایی، - 1387 خزش در دیسک های ترک دار با سرعت زاویهای ثابت را تحلیل کردند آنها با استفاده از حل FEM پارامتر خزشی - C* انتگرال را محاسبه کردند و سپس فرمولی را برای محاسبه ان ارایه دادند. زیان و همکاران - Jian- et al, 2011 - به بررسی اثر خزش بر روی ترک های محوری از مخازن تخت فشار پرداختند، آنها با محاسبه پارامتر -C* انتگرال برای ابعاد مختلف از ترک عمر باقیمانده مخزن را پیشبینی کردند.
در حقیقت در برخی از مخازن تحت فشار مانند راکتورهای شیمیایی یا هستهای یا مخازن نگهداری سیالات تحت فشار، علاوه بر مخاطره آمیز بودن مقادیر تنشهای شعاعی، تنشهای محیطی نیز میتوانند خطرناک محسوب شوند. در راستای مطالعه پارامتر خزشی C* در این مطالعه ابتدا مقدار این پارامتر که شاخصی از وضعیت بحرانی ترک است، محاسبه و تاثیر سایر پارامترهای هندسی یا مادی نظیر عمق و طول ترک، ابعاد مخزن، روی این پارامتر مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
نتایج در قالب نمودارهای مختلف ارائه خواهد شد. همچنین به منظور مطالعه نحوه توسعه آسیب، با یک تحلیل گامی انتشار پروفیل و تغییر عمق و طول ترک در یک نمونه از مخازن مورد بررسی مشخص میشود. با توجه به نتایج بدست آمده عمر باقی مانده برای مخزن مورد مطالعه معرفی خواهد شد.
روش تحقیق
رابطهی تنش تغییر شکل، خزش - الاستیک در حالت خزش توسعه یافته - خزش مرحله دوم - میتواند با معادله زیر توصیف شود: که و تغییرات کرنش و تنش نسبت به زمان را مشخص میکنند، E ماژول یانگ، A و n به ترتیب ثابت خزشی و توان خزشی حالت پایدارهستند. برای خزش حالت پایدار مقدار C* -انتگرال از رابطه زیر قابل دستیابی است.
