Введение к работе
Актуальность. Статистика и анализ отказов техники и аварий металлоконструкций в условиях Российского Севера показывают, что наиболее опасными и убыточными- являются отказы,связанные с разрушением их ответственных элементов в условиях низких климатических температур. Такие разрушения происходят вследствие случайного сочетания ряда неблагоприятных причин, лишь в исключительных случаях - по единственной причине. Эти причины могут носить металлургический, конструктивный, технологический или эксплуатационный характер, общим для них является то, что они влияют на размер возможного очагового тре-щиноподобного дефекта металла, как инициатора хрупкого разрушения элемента конструкции. В инженерном понимании хрупкое разрушение должно быть связано с инициацией и распространением крупных магистральных трещин в условиях, когда номинальные максимальные эквивалентные напряжения в элементе конструкции ниже, чем предел текучести металлов. Понятие хладноломкости элементов конструкций подразумевает, что в условиях низких температур эксплуатации размеры грещиноподобных дефектов, служащих инициаторами хрупкого разрушения, меньше, чем размеры таких дефектов в условиях положительных температур.
Выявление особенностей влияния трещяноподобных дефектов на предельное состояние и на процесс разрушения' элементов конструкций в урловиях низких температур эксплуатации и путей оценки их сопротивления хрупкому разрушению позволит разработать экономически наиболее эффективные требования по обеспечению их хладостойкости и прочности. Именно этим определяется актуальность проблемы, решаемой в настоящей работе.
Крупногабаритные тонкостенные металлоконструкции (трубопровода большого диаметра, сосуды давления, резервуары для хранения горюче-смазочных материалов, коробчатые элементы техники особоболыпой грузоподъемности, строительные металлоконструкции и т.п.), в основном подвергаются статическим нагрузкам. Как показывает анализ причин их разрушения, послед^ ний акт их разрушения почти при любом виде нагруяения происходит при- статических нагрузках, и трещина инициируется дефектом (например, дефектом сварки и усталостной трещиной) при статическом нагружении. Поэтому хладостойкость и прочность
конструкции в этом случае будут определяться размерами этих дефектов. Работами Алымова В.Т., Андрейкива А.Е., Баренблатта Г.И., Васильченко Г.С., Григорьева Р.С., Дроздовского В.А., Ивановой B.C., Ивлева Д.Д., Ковчика С.Е., Копельмана Л.А, Костенко Н.А., Кошелева П.Ф., Красоівского А.Я., Ларионова В.П., Лебедева А.А., Ыахутов'а Н.А., Маркочева В.М., Морозова Е.М., Науменко В.П., Панаскка В.В., Партона В.З., Попова А.А., Работнова Ю.Н., Романова А.Н., Серенсена СВ., Шура г Д.Ы., Фридмана СВ., Уржумцева Ю.С., Яремы С.Я., а также зарубежных ученых Гриффитса А, Ирвина Дк., Раиса Д., Кална К., Дагдейла Дк., Пеллини B.C., Либовица X., Ньюмана Б.Ф., и другими, разработан аппарат механики разрушения, который, в принципе, определяет и устанавливает уровень статических рабочих напряжений в момент страгивания трещины в зависимости от ее размера, но его практическое применение ограничено для тонкостенных металлоконструкций отсутствием систематических экспериментальных исследований на натурных конструкциях (особенно, если учитывать при этом низкотемпературный фактор).
При обследовании разрушений некоторых элементов конструкций было обнарукено, что во многих случаях инициаторами разрушения служили дефекты с такими размерами, которые допускались нормами дефектоскопического контроля. В момент аварии превышения внешних рабочих нагрузок над предельными не наблюдалось. В какой-то мере, именно в связи с этим возникла проблема так называемых, "коротких" или "малых" трещин при динамическом нагружении. Работами Бакши С.А., Баренблатта Г.И., Болотина В.В.,Борисковского В.Г., Григоряна С.С, Зобнина А. И., Качанова Л.М., Майборода В.П., Моношкова А.Н., Морозова Н.Ф., Никитина Л.В., Никифоровского B.C., Слепяна Л.И., Суворовой Ю.В., Работнова Ю.Н., Черепанова Г.П., а также зарубежных ученых Мотта Н.Ф, Акита А., Робертсона Т.е., Эрдогана Ф. и других, залокены теоретические и экспериментальные основы динамической механики разрушения, но они прямо не связаны с проблемой динамического квазихрупкого разрушения тонкостенных ме таллоконструкций.
В настоящей работе проблема коротких (малых) трещин рассматривается со сгздущих позиций. Обычно лабораторными испытаниями на трещиностойкость моделируется только внешняя рабо-
чая нагрузка, размеры возможных, трэщиноподобных дефектов и воздействие рабочей среда. На самом делэ на элемент конструкции действуют не только рабочие статические и динамические нагрузки, но и другие силовые воздействия, возникающие, например, от высокочастотной или низкочастотной вибрации, незначительных ударных нагрузок при запуске или останове рабочих органов, трении и т.п., которые вызывают в элементе конструкции сравнительно малое повышение действующих на него напряжений. Роль этих малых динамических воздействий при разрушении статически нагруженных элементов конструкций с трещиноподобным дефектом почти не изучена. Для краткости однократное воздействие незначительной динамической'нагрузки на статически нагруженный элемент конструкции с трещиноподобным дефектом определим как статодинамическое нагружение.
Цель исследования состоит в комплексном исследовании низкотемпературных процессов разрушения и закономерностей влияния трещиноподобных дефектов на несущую способность крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций с учетом влияния низких климатических температур при статическом и статодина-мическом нагружении.
В соответствии с поставленной "целью потребовалось рас- ' смотреть следующие задачи, решения которых выносятся на защиту:
-
Путем анализа причин разрушения элементов конструкций в условиях Российского Севера выявить и обобщить основные факторы, влияющие на уровень запаса прочности крупногабаритных тонкостенных элементов металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях низкой климатической температуры при статическом нагружении.
-
Разработать расчетно-экспериментальные (количественные) методики оценки хладо стойкости элементов конструкций на основе результатов лабораторных испытаний образцов с трещинами с учетом влияния низкой температуры на пластичность металла и разработать метод исследования предельных кривых разрушения (т.е. совокупность методик оценки разрушающих напряжений крупногабаритной тонкостенной конструкции со сквозной трещиной по результатам лабораторных испытаний образцов и полномасштабных натурных испытаний на разрушение при однократном'
статическом нагрукении объектов исследования с трещиной в условиях низких климатических температур). -
3. Разработать методологию проведения низкотемпературных испытаний на разрушение элементов- конструкций с трещиной при монотонном возрастании внешней статической нагрузки.
"4- Провести исследование хладостойкости и прочности сосудов давления и труб из пластичных сталей путем проведения натурных испытаний их на разрушение в условиях низких клима- тических температур при монотонном статическом возрастании внутреннего давления.
5. Проанализировать влияние структурной поврежденности
металлов на "их температуру хрупкости и исследовать влияние
.растягивающих номинальных напряжений в образце, энергии инициации трещины и температуры испытания на скорость распространения трещины, т.е. промоделировать процессы разрушения элементов конструкций при статодинамическом нагружении.
6. Обобщить основные научные положения и критерии оцен
ки хладостойкости и прочности элементов крупногабаритных ме
таллоконструкций при статическом и статодинамическом нагруже
нии.
Методика исследования. Концепции и достижения механики разрушения с использованием критериев статической и динамической трещиностойкости. Реализация экспериментов на современных испытательных машинах ЦЦЫ-ЮО, "Инстрон-1225", КМ-ЗО, УМЭ-10, а также на установке и стенде собственного изготовления; станции испытания сосудов давления и труб на разрушение . в условиях низких климатических температур и магнито-импуль-сной установки инициации и регистрации трещин. Установка и станция оснащены современными системами контроля и регистра-рации параметров разрушения как при статических, так и при динамических испытаниях ("СИИТ-2", "Аксамит", СФР-1). Управление экспериментами и обработка их результатов производится с использованием ПЭВМ.
Научная новизна работы. Разработаны научные основы количественной оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций путем использования температуры их эксплуатации как расчетного фактора. Научные основы количественной оценки хладостойкости исходят из: экспериментально
установленных на лабораторных образцах характеристик статической трещиностойкости в условиях низких температур и доказательства путей проведения натурных испытаний на разрушение при однократном статическом нагрукении того, что хладостой-кость при статическом напружений определяется второй критической температурой вязкохрупкого перехода; методологически общей схемы расчета смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода в зависимости от конструктивного оформления и схемы нагружения крупногабаритных тонкостенных элементов конструкций; научно обоснованного расчета номинальных разрушающих статических напряжений с использованием характеристик трещиностойкости лабораторных образцов в зависимости от размера возможных трещиноподобных дефектов в крупногабаритных тонкостенных металлоконструкциях. Предложен метод оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа сосудов давления и магистральных трубопроводов большого диаметра при их статическом нагрукении путем расчетного определения смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода в зависимости от конструктивных размеров и характера изменения характеристик статической трещиностойкости при понижении температуры. Впервые проведено исследование границ применимости результатов определения характеристик низкотемпературной статической трещиностойкости лабораторных образцов различных типов для оценки номинальных разрушающих напряжений и критических длин трещиноподобных дефектов, результаты которого позволили разработать метод построения предельных кривых разрушения трубопроводов большого диаметра и цилиндрических сосудов давления как с использованием результатов натурных йспнтаний на разрушение в-условиях низких температур, так и с применением критериев линейной и нелинейной механики разрушения. Разработана методология проведения низкотемпературных натурных испытаний на разрушение крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций для оценки их хладостойкости (до минус 6о), включающая; технологию проведения таких натурных испытаний в условиях низких климатических температур; программу и методику испытания на разрупение объектов исследования с трещиноподобными дефектами при однократном статическом напружений и моделирования их поведения в условиях эксплуата- ,
ции; применение компьютерно-измерительного комплекса и современных методик и средств обработки результатов эксперимента. Предложено основное положение по интерпретации результатов натурных испытаний при однократном статическом нагруже-нии до разрушения в условиях низких климатических температур для оценки хладостойкости и прочности крупногабаритной тон-стенной металлоконструкции.
Анализ причин разрушений сложных технических систем, состоящих из элементов крупногабаритных металлоконструкций, показнвают, что кагастрофічность таких аварий может иметь два различных характера; первый - спонтанное распространение магистральной трещины, а второй - последовательное разрушение несущих элементов сложной технической системы и как следствие этого - катастрофическое разрушение всей системы. Для исследования процессов инициации и распространения магистральных трещин предложено моделировать в лабораторных условиях совместное влияние на сопротивление разрушению элементов конструкций ' внешних статических рабочих нагрузок, наличие трешино-подобннх дефектов металла и воздействие незначительных динамических нагрузок (иными словами моделировать процессы разрушения элементов конструкции с трещиной при статодинамичес-ком нагрухении). Проведением такого моделирования показано, что наиболее устойчивым и независимым от внешних факторов и наиболее продолжительным является стабильный этап распространения трещины в зависимости от запаса потенциальной энергии. Предложен один из возмокных механизмов распространения трещины со стабильной скоростью в твердом теле с системой рассеянных повреждений и дефектов, на основании которого предположено, что -в качестве критерия инициации такого распространения трещины может служить критическая скорость локальной деформации на кончике трешиноподобных дефектов. Установлено, что низкая температура эксплуатации большой механической системы повышает вероятность не только хрупкого разрушения ее несущих элементов, но и катастрофического разрушения всей системы при внезапной потери несущей способности одного из ее элементов.
Практическая ценность работы заключается в научно-обоснованном проведении исследований причин крупных аварий и раз-
рушений металлоконструкций и элементов техники в условиях Севера; в разработке теоретических и практических положений методических рекомендаций и указаний, , а также основ проекта ГОСТ по оценке трещиностойкосги трубопроводов большого диаметра; в результатах проведенных натурных испытаний сосудов давления и труб для выбора оптимальной марки стали, режима сварки и технологий восстановления и ремонта металлоконструкций; в разработке информационных и нормативных документов по линии сотрудничества со специалистами стран-членов бывшей СЭВ и научно-методической комиссии Госстандарта бывшего СССР.
Фактический экономический эффект от использования ре- . зультатов исследований автора до 1991 г.составил 857000 руб.
За разработку под руководством автора Станции натурных испытаний сосудов давления и труО в условиях низких климатических температур коллектив его лаборатория награжден сзреб-рянной медалью ВДНХ СССР. Магнито-импульсная установка инициации и регистрации трещин имеет Диплом выставки "Сибприбор-90". За цикл работ по оценке хладостойкосги и прочности крупногабаритных элементов конструкций автор, в числе других сотрудников ИФТПС СО РАН, награжден третьей премией конкурса прикладных исследований по СО РАН.
Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ Института физико-технических проблем Севера СО РАН по гемамі 1J10.2.8. Конструкционная прочность.и разрушение. Исследование несущей способности деталей машин и сварных металлоконструкций в экстремальных условиях Крайнего Севера. Раздел 5.Исследование влияния размеров и плотности трещин на процессы разрушения низколегированных сталей. Пост. Госстандарта СССР N139 от 01.10.81 г. РАН И10103-1127 от 21. 07.83; 1.11.1.9-Исследование и разработка методов прогнозирования работоспособности машин и металлоконструкций в условиях районов с холодным климатом. Раздел 2. Исследование и разработка метода оценки локальному динамическому нагружению напряженных элементов конструкций в условиях низких температур. ПОСТ. ГКНТ СССР Н422 ОТ 17-09.86. РАН N10103-1974 ОТ 03.11.86 г. НТП "Надежность" РАН ИЮ103-1540 от 24.08.87 г. "Техника Севера" Пост. ГКНТ СССР N581 от 15.06.90 г. "Научное и технологическое обеспечение создания техники для Севера" раздел 4.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на: Всесоюзном симпозиуме "Прикладные вопро-- сы механики разрушения в машиностроении", Ленинград, 1977; Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение металлов и сварных конструкций при низких температурах", Якутск, 1978; Международном семинаре научно-технического сотрудничества СЭВ по теме I-I3, ЧССР, Малауки, 1979; Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири, Новосибирск, 1980,1981; 4 Всесоюзной конференции "Физика разрушения", Киев, 1980; Международном конгрессе по испытанию материалов, ВНР, Будапешт,1982; 2 Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения", Житомир,1985; I Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов", Львов,1987; Всесоюзной конференции "Прочность "материалов и конструкций "при низких температурах",Киев,1982; Международной конференции "Зарождение и рост трещин в металлах и в керамике - роль структуры и окружающей среды", Варна, IS9I; Научно-технической конференции "Живучесть и безопасность конструкций технических систем", Красноярск,1991; Международном советско-скандинавском семинаре "Машины, материалы и конструкции в арктических условиях", Якутск, 1991.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 24 статьях, в одной монографии и в 14 тезисах докладов. Получено 3 авторских свидетельства на изобретение.
Объеы и структура диссертационной работы, диссертация излокена на 311 страницах машинописного текста с 7 таблицами и 146 рисунками, и состоит из введения, семи глав и выводов, а также 4 Приложений. Список использованной литературы включает 246 наименований.