Определение остаточного ресурса деталей сложной конфигурации, работающих под давлением

Расчеты на прочность и определение остаточного ресурса трубопроводов и сосудов, работающих под давлением, в том числе под высоким давлением, достаточно хорошо разработаны и приведены в различной НТД [1-6]. Необходимо отметить, что ГОСТ Р 52857.6-2007 можно использовать при расчетах малоцикловой прочности, если материал детали имеет предел усталости σ-1 ≤ 280 МПа. Однако эти методики не позволяют рассчитать детали с учетом реальных дефектов.
Сравнение результатов расчетов, выполненных в программе Ansys и по НТД, представлено в таблице 1. Для проверки адекватности моделей были проведены расчеты на прочность трубы ∅100 х 30 (сталь 34ХН1М, σв20 = 1010 МПа, σт20 = 858 МПа, δ = 20 %, ψ = 68 %) при давлениях 50 и 150 МПа.
Как видно из таблицы, численное решение хорошо согласуется с расчетами, проведенными по НТД. 
С целью определения влияния дефектов на остаточный ресурс трубы были проведены расчеты при давлении P = 150 МПа и t = 20 °С. Формы и размеры дефектов показаны на рис. 1: дефект «А» в виде протертости, полученной в результате трения об опору; дефект «Б» в виде условно зарождающейся трещины. 
РД РТМ 26-01-126-80 (далее РД) не позволяет с необходимой точностью рассчитать трубу на прочность с вышеприведенными дефектами, поэтому расчеты проведены с уменьшением толщины стенки на величину дефекта. Результаты расчетов представлены в таблице 2. 
Из таблицы видно, что при расчете на прочность детали, работающей под внутренним давлением, с дефектами на наружной поверхности можно пользоваться РД, так как максимальные амплитуды напряжений в трубе при расчете с дефектом «А» по Ansys и РД практически совпадают, а напряжения, возникающие в зоне дефекта «А», на наружной поверхности трубы не являются определяющими при расчете на прочность. 
Как известно, в деталях, работающих под давлением, максимальные напряжения возникают на внутренней поверхности. Как видно из таблицы 2, в случае расчета трубы с дефектом «Б» определяющими являются напряжения в районе дефекта. Таким образом, любой дефект внутри детали будет приводить к снижению прочности и допускаемого числа циклов нагружения. Поэтому при наличии дефекта на внутренней поверхности требуется более точное определение возникающих напряжений.
Допускаемое число циклов нагружения определено с учетом расчетных значений амплитуд напряжений σа по РД РТМ 26-01-126-80.
где σ₁, σ₂, σ₃ — главные напряжения в рассматриваемой точке, МПа;
max σ_пр — максимальные приведенные напряжения, МПа;
σ_а — амплитуда приведенных напряжений, МПа; 
[N] — допускаемое число циклов нагружения.
При расчете на прочность деталей сложной конфигурации (корпуса клапанов, детали трубопроводов, цилиндры насосов и компрессоров) невозможно использовать НТД, и в таких случаях необходимо использовать расчетные программные комплексы. 
В качестве примера рассмотрим расчет тройника, работающего под давлением (сталь 34ХН1М, P = 150 МПа). При диагностировании были обнаружены дефекты на поверхности пересечения каналов: «дефект 1» возник в процессе изготовления в результате механической обработки вертикального канала, а «дефект 2» в виде забоины диметром 3 мм и глубиной 0,5 мм появился во время эксплуатации, при механической очистке внутреннего пространства от продукта. Расчетная схема тройника представлена на рис. 2. Для оценки влияния коррозионного износа внутренней поверхности выполнен расчет с увеличением внутреннего диаметра на 1 мм.
Для расчета тройника была создана трехмерная модель и импортирована в Ansys. Так как модель симметрична по плоскостям XY и YZ, то в расчете используется четверть от целой модели с заданием симметричности по данным плоскостям. Конечно-элементная модель со сгенерированной сеткой представлена на рис. 3. Для получения более точных результатов расчета в районе дефектов сетка была создана более плотной.
Результаты расчета тройника представлены на рис. 4 и в таблице 3.
Расчеты показали, что максимальные напряжения возникают на внутренней поверхности пересечения каналов, и они возрастают при появлении забоин, рисок или других дефектов, что приводит к снижению допускаемого количества циклов нагружения. Равномерный коррозионный износ практически не влияет на срок службы таких деталей.
По результатам проведенного сравнительного анализа рекомендуется: 
- при диагностировании оборудования, работающего под высоким давлением, обращать особое внимание на внутренние поверхности, в особенности на места пересечения каналов;
- даже при наличии небольших дефектов на внутренней поверхности деталей проводить расчет на прочность с помощью систем конечно-элементного анализа и определять допускаемое количество циклов нагружения.

Литература
1. ГОСТ Р 55600-2013. Трубы и детали трубопроводов на давление свыше 100 до 320 МПа. Нормы и методы расчета на прочность.
2. ГОСТ Р 52857.6-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках.
3. РД РТМ 26-01-126-80. Сосуды и аппараты на давление свыше 100 до 500 МПа (свыше 1000 до 5000 кгс/см2). Нормы и методы расчета на прочность.
4. РД РТМ 26-01-44-78. Детали трубопроводов на давление свыше 100 до 1000 кгс/см2 (свыше 9,81 до 98,10 МПа). Нормы и методы расчета на прочность.
5. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.
6. СТ ЦКБА 024-2006. Определение остаточного ресурса и показателей надежности арматуры.