Bc. Martin Přívozník 1 VLIV TEPLOTY A TLAKU NA OBVODOVOU TRHLINU V PARNÍM POTRUBÍ

Transkript

1 Bc. Martin Přívozník 1 VLIV TEPLOTY A TLAKU NA OBVODOVOU TRHLINU V PARNÍM POTRUBÍ Abstrakt Tato práce se zabývá simulací vlivu tepelné a tlakové zátěže na parní potrubí s obvodovou trhlinou pro různé stavy najíždění z tzv. studeného stavu do provozních parametrů. Klíčová slova Konvekce, mez kluzu, mez pevnosti, napětí, svařování, TIG, MMA 1 ÚVOD V tomto článku je uveden případ poškození parního potrubí, které není vidět pouhým okem a může zásadně ovlivnit pevnost a celistvost potrubí. V jednotlivých odstavcích bude vysvětlen postup spojování potrubí a podmínky, které musí splňovat materiál, aby mohl být použit pro tepelně tlakové namáhání. Tento projekt byl zadán výzkumnou organizací Vítkovice ÚAM a.s. Výsledkem této práce je simulace v programu Ansys a zhodnocení výsledků. 2 POTRUBÍ Potrubí je komponenta sloužící k dopravě tekutin (plynů, par, směsí s pevnými částicemi) nejčastěji s kruhovým průřezem. Potrubí slouží i pro přenos tepelné energie, vázané na přepravované médium (parovodní potrubí, horkovody apod.), nebo pro přenos tlakové energie, vázané rovněž na přenášené médium (vysokotlaká hydraulika a pneumatika). S tím souvisí problematika tepelných izolací potrubí, problematika stanovování tlakových ztrát v potrubí a pevnostních výpočtů. [2] 1 Bc. Martin Přívozník, Ústav energetického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Antonínská 548/1 Brno , y134117@stud.fme.vutbr.cz. 1

2 Potrubí musí být dokonale těsné, úniky média představují nejen ztráty hmotnostní, energetické, ekonomické, ale často i ekologické. Potrubí je vybaveno prostředky umožňujícími řízení směru toku média, průtoku média, tlaku či teploty, tedy nejrůznějšími armaturami a měřicími čidly. I této problematice bude dále věnována značná pozornost. [2] Potrubí se uchycuje k podpěrám, konstrukcím, je vedeno v zemi či jiném prostředí. V této souvislosti bude dále diskutována problematika teplotních dilatací potrubí a jejich kompenzace. [2] 2.1 Dělení potrubí [2] a) Podle druhu dopravné tekutiny proudící potrubím: - plynovody - vzduchovody - parovody - vodovody b) Podle stavu dopravní tekutiny -nízkotlakové (do 0,05 MPa a 110 C) -středotlakové ( od 0,05 MPa do 6 MPa, do 450 C) -vysokotlakové (od 6 MPa, od 450 C) Je možné i další dělení potrubí, ovšem pro tuto studii je toto dělení dostatečné. 2.2 Materiály potrubí Volený materiál úzce souvisí s použitím pracovního média, teplotou a tlakem. Např.: snášet nízké teploty, vysoké teploty, vnitřní přetlak, odolnost vůči únavovým lomům případně odolávat radiační křehkosti (Jaderné elektrárny), korozi. Často se stává, že materiály musí vyhovovat několika požadavkům najednou. V případě této studie se jedná o vnitřní přetlak a vysoké teploty. Velkou roli při návrhu hraje i cena materiálu. [2] Požadavky na materiály potrubí se dají rozdělit do 3 základních skupin, pro lepší představu jsou tyto skupiny doplněny příklady. - požadavky na fyzikální a mechanické vlastnosti materiálu potrubí - mez pevnosti v tahu, mez kluzu, smluvní mez kluzu, tepelná vodivost, - požadavky na technologické vlastnosti materiálu potrubí -obrobitelnost, svařitelnost, tvářitelnost,.. - požadavky na chemické vlastnosti materiálu potrubí -korozní odolnost, 2

3 2.3 Spojování potrubí Základní rozdělení potrubních spojů: - rozebíratelné - nerozebíratelné [2] Pokud je potrubí namáháno vysokým tlakem je spojováno nerozebíratelným spojem. Typická technologie pro nerozebíratelné spojení je svařování. 2.4 Svařování potrubí V rámci této studie je jediný možný způsob spojení vysokotlakého parovodu pomocí svařování. V praxi se užívají nejčastěji metody TIG a svařování pomocí obalené elektrody. 2.5 Svařování pomocí metody TIG TIG je tedy mezinárodní zkratka pro označení metody svařování elektrickým obloukem za pomoci netavící se elektrody a ochranné atmosféry inertního (argon) plynu. Při této svařovací metodě hoří elektrický oblouk mezi netavící se elektrodou a základním svařovaným materiálem. Protože se elektroda nemá odtavovat, musí být vyrobena z materiálu, který odolává velmi vysokým teplotám. Tuto podmínku splňuje wolfram. Wolframová elektroda je pomocí kleštiny upnuta v hlavici TIG hořáku. Hořák je dále opatřen keramickou hubicí, kterou ven proudí plyn vytvářející v místě svařování inertní (netečnou) ochrannou atmosféru. Inertní atmosféra (obvykle argonu) chrání tavnou lázeň před přístupem vzduchu. [1] Svařování může být provedeno buď pouze roztavením a slitím základních materiálů dohromady (bez použití přídavného materiálu), nebo s přidáním přídavného materiálu - svařovacích drátů podobného složení, jako má základní materiál. [1] Mezi velkou nevýhodu této technologie patří malá produktivita. V některých případech, jako je svařování potrubí, se metodou TIG svařují jen kořenové vrstvy, u kterých velmi záleží na kvalitě. 3

4 Obrázek 1: Svařování metodou TIG [1] 2.6 Svařování pomocí metody MMA Metoda ručního svařování elektrickým obloukem s použitím obalených svařovacích elektrod. Téměř všechny obalené elektrody se připojují ke kladnému (+) pólu zdroje. Zemnící svorka se připojí k zápornému ( ) pólu zdroje. Elektrody jsou obaleny tavidlem, které má funkci metalurgickou, funkci plynotvornou a funkci ionizační. [1] Obrázek 2: Svařování pomocí obalené elektrody 3 VLASTNÍ STUDIE 3.1 zadání Dáno parní potrubí: - průměr D = 1000 mm - tloušťka stěny b = 50 mm Parametry páry: - tlak páry p = 4 MPa - teplota páry t = 400 C Dále byl zadán obvodový vrub o parametrech: - vrcholový úhel = 20 - poloměr špičky vrubu r = 1 mm Cílem této studie bylo zjistit vliv teploty a tlaku na napětí v místě obvodové trhliny při najíždění z tzv. studeného stavu (potrubí o teplotě t 1 = 22 C). Simulace byla provedena v programu Ansys pro 2 možné stavy. 1. Stav teplota se skokově změní z 22 C puštěním páry do potrubí o teplotě 400 C a tlaku 4 MPa. Délka simulace l 1 = 1 hodina (3600 s) 2. Stav teplota i tlak se bude postupně zvyšovat až na provozní parametry, v rámci teploty 20 C za hodinu, v rámci tlaku přibližně 0,1 MPa za hodinu. Postupné 4

5 zvyšování bude probíhat až do provozních parametrů. Délka simulace l 2 = 20 hodin (72000 s). 3.1 Volba materiálu potrubí Pokud chceme v programu Ansys dosáhnout věrohodných výsledků, je nutné vybrat reálný materiál, který se běžně používá a lze o něm zjistit potřebné údaje. Jedná se již o vysoké teploty (400 C) s rostoucí teplotou materiál ztrácí svoje mechanické vlastnosti a je náchylnější na poškození. Proto je nutné volit materiál, který bude schopný i při vysokých zatíženích odolat vysokým teplotám a zachovat si potřebnou pevnost. Jako vhodný materiál se jeví nízkouhlíková ocel obvyklé jakosti pro vyšší teploty P265 GH. Mez pevnosti R m = MPa a mez kluzu R e = 245 MPa. Pro uvažovanou teplotu 400 C nedochází ani k degradačnímu procesu, který je závislý na teplotě i času a nazývá se creep (tečení). Pomocí materiálového listu a jiných literatur byly zjištěny všechny potřebné údaje jako mez pevnosti při určitých teplotách, moduly pružnosti, součinitele roztažnosti 3.2 ANSYS Materiálové charakteristiky Obrázek 3:Engineering data v programu Ansys Na obrázku uvedeném výše je ukázka nastavení nelineárního (elasticko viskoplastického) materiálu. Nejprve se vybere položka Multillinear Isotropic Hardening a poté se otevře tabulka kam se zadávají teploty a pro každou teplotu pevnostní charakteristiky. Následně program v grafu zviditelní všechny výsledky. Jednotky tlaku jsou MPa a poměrném prodloužení je bezrozměrná veličina. Mezi další hodnoty nutné pro výpočet patří hustota materiálu, součinitel roztažnosti materiálu pro různé teploty a součinitel tepelné vodivosti. 5

6 3.2 ANSYS vzorek potrubí Obrázek 4:Výřez potrubí Pro zjednodušení výpočtu byl v potrubí vyříznut vzorek, vrub je po celém obvodu a tudíž se jedná o symetrickou úlohu a je možné ji takto zjednodušit. Pro názornost detail vrubu Obrázek 5:Detail vrubu 6

7 3.2 ANSYS schéma projektu Obrázek 6:Schéma postupu výpočtu Na obrázku je vidět zvolené schéma v programu Ansys. Nejprve se provede analýza Transient Thermal a na to navazuje analýza Static Structural. 3.3 ANSYS Mesh 7

8 Před samotným nastavením parametrů výpočtu je nutné na předmětu vytvořit mřížku (MESH), protože program pracuje metodou konečných prvků (MKP). Obrázek 7: Výpočtová mřížka vzorku 3.4 ANSYS Transient Thermal Tento výpočtový modul určí rychlost ohřívání materiálu a teplotu ve všech vypočtených časech je nutné zadat typ a hodnotu tepelného zatížení. V našem případě je to přenos tepla konvekcí, pro páru o teplotě t = 400 C byl pomocí parních tabulek zjištěn součinitel přestupu tepla = 194 W.m -2.K -1 (ten je závislý i na rychlosti proudění média). Důležitý je i časový interval a časový krok. První analýza je nastavena na celkový časový interval 3600 s a časový krok 200 s. U druhé analýzy časový interval s (20 hodin) a časový krok 3600 s. 3.5 ANSYS Static Structural Pevnostní modul sloužící ke zjistění deformací a napětí v materiálu. Důležité je nastavení okrajových podmínek. Vzorku musí být odebrán potřebný počet stupňů volnosti. Pro tento výpočet byla importována teplotní data z předešlé analýzy, díky tomu lze počítat napětí v bodech s nekonstantní teplotou v celém časovém horizontu (do dosažení provozních parametrů). 8

9 4 ANSYS VÝSLEDNÉ ZOBRAZENÍ 4.1 ANSYS 1. Stav analýzy 1. Stav Tepelná analýza Obrázek 8: Průběh teplot Červená minimální teplota Zelená maximální teplota Z obrázku je patrné, že ohřev je opravdu velmi rychlý a vzniká rozdíl teplot mezi vnitřní a vnější stranou potrubí. Tento rozdíl by mohl způsobovat další pnutí v materiálu. 1. Stav Pevnostní analýza Obrázek 9:Průběh napětí Červená minimální napětí Zelená maximální napětí 9

10 Zelená křivka maximálního napětí v materiálu má velice proměnný průběh. Na první pohled se zdá, že tato křivka neodpovídá realitě. Veliké výkyvy napětí způsobuje onen teplotní spád po tloušťce potrubí. Tato křivka zobrazuje pouze hodnoty, nikoliv umístění plochy maximálního napětí. Ve skutečnosti se napěti koncentruje pouze v okolí vrubu a může dojít k překročení meze kluzu. 1. Stav plastická deformace Obrázek 10: Plastická deformace V čase přibližně 1520 sekund je překonána mez kluzu a objevuje se první plastická deformace. Vrub je koncentrátor napětí, proto se první plastická deformace objeví v kořeni vrubu. Červená minimální deformace Zelená maximální deformace 10

11 1. Stav osové prodloužení Obrázek 11: Prodloužení materálu Červená minimální prodloužení Zelená maximální prodloužení Vlivem teplotního namáhání materiálu dojde k jeho prodloužení v podélné ose o téměř 5 mm na 1 m potrubí. Toto se v praxi řeší délkovým kompenzátorem. 4.2 ANSYS 2. Stav analýzy 2. Stav Tepelná analýza Obrázek 12:Průběh teplot Červená minimální teplota Zelená maximální teplota 11

12 U druhého stavu je jasně vidět postupný nárust teploty v čase. Většina křivky má lineární průběh, ohřev byl prováděn trendem 20 C/hodina (doporučená rychlost nárůstu teploty tlustostěnných zařízení). 2. Stav Pevnostní analýza Obrázek 13:Průběh napětí Červená minimální napětí Zelená maximální napětí Křivka maximálního i minimálního napětí vypadá příznivěji než v prvním případě. Maximální napětí označuje většinou pouze lokální extrémy, nikoliv napětí v celém vzorku. Od času t = s začíná pomalu vzrůstat tlak až do času t = s, kde se minimální napětí téměř ustálí. V čase t = s minimální napětí klesá téměř na nulu. Na tento fakt nebylo nalezeno vysvětlení, a protože se nejedná provozní parametry lze tyto hodnoty vynechat. V čase t = se nachází maximální dosažená hodnota napětí. Jelikož napětí posléze klesá, dá se odhadnout, že zřejmě došlo k překročení meze kluzu. Jestli je toto tvrzení oprávněné, pak na grafu plastické deformace uvidíme v tomto bodě změnu. 12

13 2. Stav Plastická deformace Obrázek 14:Plastická deformace Červená minimální deformace Zelená maximální deformace V čase přibližně t = s se objevují první známky plastické deformace. V tomto místě došlo k překročení meze kluzu a následnému snížení napětí. Jedná se o poměrně nepatrné hodnoty a předpokládá se pouze lokální plastická deformace. 2. Stav Osové prodloužení Obrázek 15:Prodloužení materiálu Červená minimální prodloužení Zelená maximální prodloužení 13

14 Prodloužení v podélné ose dosahuje zhruba 5 mm na 1 m potrubí. V praxi je toto řešeno přidáním komenzáto 1. Stav 4.3 ANSYS Grafické zobrazení napětí v místě vrubu Obrázek 16:Rozložení maximálního napětí okolo vrubu Na obrázku je jednoznačně vidět umístění a velikost plochy maximálního napětí, které se koncentruje pouze na zaoblení špičky vrubu. 2. Stav Obrázek 17:Rozložení maximálního napětí okolo vrubu 14

15 Velikost maximálního napětí je opět v rádiusu špičky vrubu. V tomto místě je překročena mez kluzu a objevuje se lokální plastická deformace. 5 Závěr Takto vyvolaná trhlina by mohla vzniknout porušením svaru nebo nesprávným svářením. Parní potrubí jsou často kontrolována, potrubní větve se musí kontrolovat jednou za 6 měsíců a celková kontrola potrubních větví se provádí nejméně po dvou až třech letech provozu. Svary bývají kontrolovány rentgenem, proto by k tomuto poškození docházet nemělo. Vrub působí jako koncentrátor napětí, vzniklé simulace toto potvrzují a oblast plastické deformace ani oblast maximálního není nijak veliká. Ovšem v místě vrubu je velmi snížena tloušťka stěny. Z dlouhodobého hlediska je tato skutečnost problém, neboť by zde mohly vznikat únavové trhliny, které by se v důsledku působících napětí dále šířily, a mohlo by dojít ke ztrátě celistvosti potrubí. 6 Literatura [1] Svařování TIG. Svářečky-elektrody.cz [online]. [cit ]. Dostupné z: [2] POTRUBNÍ SYSTÉMY A ARMATURY. PAVLOK, Bohuslav. Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní [online]. Ostrava, 2011 [cit ]. Dostupné z: INFLUENCE OF TEMPERATURE AND PRESSURE ON THE CIRCUMFERENTIAL CRACKING IN THE STEAM LINE Keywords Convection, yield strength, ultimate strength, voltage, welding, TIG, MMA Summary Heat - Pressure Analysis steam pipe with a circumferential crack. 15