Моделювання процесів повзучості та корозійного розтріскування труб

Abstract

Статтю присвячено опису методу спільного аналізу деформування та руйнування конструктивних елементів, що знаходяться в умовах високотемпературної повзучості, пов’язаного з нею накопичення прихованих пошкоджень, та в яких деякі поверхні піддано впливу агресивних середовищ. Крайова задача розв’язується з використанням методу скінченних елементів, для початкової задачі використано різницевий метод інтегрування за часом. Для аналізу корозійного розтріскування внутрішньої поверхні труби використано підхід, що полягає у виключенні з розрахункової моделі «зруйнованих» скінченних елементів, тобто тих, в яких параметр пошкоджуваності сягнув свого критичного значення, та переформулювання крайової задачі для моделі з новою геометрією та збереженими початковими умовами для компонентів напружено-деформованого стану та параметру пошкоджуваності у решті скінченних елементів. Для моделювання накопичення прихованої пошкоджуваності внаслідок повзучості та корозії використано підхід з врахуванням внесків приростів відповідних процесів на кожному кроці за часом. Пошкоджуваність внаслідок корозії моделюється автомодельним еволюційним рівнянням з врахуванням спеціально визначеного еквівалентного напруження на поверхні тіла. Як приклад використання методу чисельного моделювання розглянуто процес повзучості з прихованим руйнуванням матеріалу та подальше корозійне розтріскування у товстій трубі. Проаналізовано процес зростання пошкоджень у її матеріалі, оцінено співвідношення між швидкістю накопичення пошкоджень внаслідок повзучості та корозійного розтріскування на поверхні. Розроблений підхід та скінченноелементний метод розрахунку пропонується надалі застосувати для аналізу деформування та корозійного розтріскування елементів конструкцій складної геометрії, які використовуються у енергетичній та атомній промисловості.

The paper is devoted to the description of the method of joint analysis of deformation and fracture of structural elements that are in conditions of hightemperature creep, the accumulation of hidden damage associated with it, and in which some surfaces are exposed to aggressive environments. The boundary value problem is solved using the finite element method, for the initial one the finite difference method of integration over time was used. For the analysis of corrosion cracking of the inner surface of the tube, an approach was used that consists in excluding from the calculation model the “destroyed” finite elements, i.e. those in which the damage parameter has reached its critical value, and reformulating the boundary value problem for the model with a new geometry and preserved initial conditions for the components of the stress-strain state and the damage parameter in the remained finite elements. To simulate the accumulation of hidden damage due to creep and corrosion, an approach was used that takes into account the contributions of the increments of the corresponding processes at each time step. Corrosion damage is modeled by an auto-model evolution equation taking into account a specially defined equivalent stress on the surface of the body. As an example of using the numerical modeling method, the creep process with material damage accumulation and subsequent corrosion cracking in a thick tube is considered. The process of damage growth in its material is analyzed, the ratio between the rates of damage accumulation due to creep and corrosion cracking on the surface is estimated. The developed approach and finite element calculation method are proposed to be further applied to the analysis of deformation and corrosion cracking of structural elements of complex geometry used in the power and nuclear engineering.