Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор исследуемой проблемы 10
1.1.Трубы для магистральных газопроводов 10
1.2. Стали для магистральных трубопроводов 14
1.2.1. Основные типы трубных сталей 15
1.2.2. Стали контролируемой прокатки
1.3. КРН магистральных газопроводов 20
1.4. Основные положения механики разрушения
1.4.1. Критическое состояние равновесия 23
1.4.2. Критерии развития разрушения 27
1.5. Усталость металла 32
1.5.1.Малоцикловая усталость 33
1.6. Протяженные вязкие и хрупкие разрушения магистральных
газопроводов 34
1.7. Переиспытания избыточным давлением жидкости или газа (стресс тест) 39
Выводы по главе 1
2 Изучение свойств металла отказавшего газопровода 43
2.1. Объект исследования 43
2.2.Металлографические исследования металла 44
2.2.1. Методы металлографических исследований 44
2.2.2. Исследование микроструктуры стали Х70 48
2.2.3. Изучение характера распространения трещин
2.3. Определение загрязненности стали сульфидными включениями... 51
2.4. Изучение дислокационной структуры стали вблизи трещины
2.4.1. Приготовление тонких фолы 55
2.4.2. Дислокации 57
2.4.3. Дифракция электронов 58
2.5 Распределение микротвердости вблизи колонии трещин 60
2.6 Оценка напряженно-деформированного состояния металла с колонией трещин методом конечных элементов 63
2.6.1 Основы метода конечных элементов 64
2.6.2. Уравнения равновесия 65
2.6.3. Расчет напряженно-деформированного состояния металла, имеющего колонию трещин 67
2.7. Определение энергии активации стали Х70 в модельном электролите 71
Выводы по главе 2 ,v/
3 Изучение закономерностей разрушения натурного образца при статическом и циклическом нагружении 78
3.1. Испытание на растяжение образца 78
3.2. Нахождение функциональной зависимости между деформацией и потенциалом 84
3.3. Усталостные испытания 86
3.4. Нахождение функциональной зависимости между количеством циклов нагружения и потенциалом 88
Выводы по главе 3 - х
4 Разработка метода и расчет остаточного ресурса в рамках модели развития множественных трещин 92
4.1 .Циклическая трещиностойкость 92
4.2. Определение параметров циклической трещиностойкости образца с колонией трещин эксплуатационного происхождения 94
4.3. Определение остаточного ресурса металлоконструкции 96
Выводы по главе 4 101
Основные результаты и выводы 102
Литература 104
- КРН магистральных газопроводов
- Методы металлографических исследований
- Оценка напряженно-деформированного состояния металла с колонией трещин методом конечных элементов
- Нахождение функциональной зависимости между количеством циклов нагружения и потенциалом
Введение к работе
Актуальность работы
Нефтегазовые трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются воздействию механических напряжений и окружающей среды, что приводит к возникновению коррозионных и коррозионно-механических поражений. Наиболее опасным их видом для транспорта природного газа является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), которое зарождается на внешней катодно-защищенной поверхности трубы.
В настоящее время для повышения надежности магистральных газопроводов, подверженных КРН проводят переиспытания избыточным давлением жидкости или газа, так называемый стресс-тест, хотя его применение обосновано трудами ученых института Баттеля только для одиночных трещин. В очаге разрушения газопровода КРН приводит к образованию как одиночных трещин, так и их систем. Однако научное обоснование применимости одного из широко распространенных методов контроля КРН - переиспытание избыточным давлением (стресс-тест) для колонии трещин в настоящее время отсутствует. Также отсутствуют научно обоснованные методы оценки остаточного ресурса газопровода с такими дефектами. Поэтому исследование физико-механических характеристик металла очаговых зон с системой трещин, их взаимодействи2 с окружающей средой, а также изучение процессов разрушения под действием статического и циклического нагружения являются актуальными.
Результаты работ, связанных с исследованием КРН, коррозионно-механического взаимодействия металла с окружающей средой, разрушением металла под воздействием статического и динамического нагружения, изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: И.Г. Абдуллина, Э.М. Гутмана, О.И. Стеклова, P.M. Аскарова, А.Г. Гареева, Г.П. Черепанова, С.Г. Полякова, Р.Р. Фесслера, Ж.Ф. Кифнера, А.Р. Даффи, Р.Н. Паркинса, О.Н. Романива, Р.С. Зайнуллина, А.Г. Халимова, А.А. Шанявского, B.C. Ивановой и др.
4 Цель работы
Выявление закономерностей разрушения стали Х70 в очаговой зоне коррозионного растрескивания под напряжением и оценка на этой основе остаточного ресурса газопроводов.
Реализация поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:
-
Изучить физико-механические свойства и микроструктуру металла отказавших газопроводов. Установить характер развития трещин путем определения микротвердости и дислокационной структуры металла вблизи их вершин.
-
На основе определения напряженно-деформированного состояния металла внутри колонии трещин, оценить возможный характер его разрушения под действием внешних нагрузок.
-
Исследовать процессы, протекающие на границе раздела «металл - коррозионная среда», которые происходят без механического нагружения, при нагружении с постоянной скоростью деформации и циклическом нагружении.
4. Изучить характер разрушения металла трубы в области образования
группы трещин при статическом и циклическом нагружении; оценить на этой
основе остаточный ресурс газопровода, имеющего такой вид дефектов. Опреде
лить возможности стресс-теста для выявления дефектов металла в виде колонии
трещин.
Научная новизна
1. Показано, что напряженно-деформированное состояние металла для системы трещин отличается от напряженно-деформированного состояния для одиночной трещины. При этом трещины внутри колонии не только энергетически взаимодействуют между собой, но и разгружают самую мелкую. Таким образом, механические напряжения, возникающие при проведении стресс-теста, не деформируют металл в вершине самой мелкой трещины колонии. Для таких трещин коррозионное растрескивание под напряжением будет развиваться и после переиспытаний.
-
Обнаружено, что для протекания КРН при нормальных температурах необходимо преодоление большего энергетического барьера, чем при повышенных температурах. Получены аналитические зависимости термодинамической устойчивости стали Х70 в коррозионной среде при статическом и циклическом нагружении.
-
Разработан научно обоснованный метод расчета остаточного ресурса металла трубопровода, имеющего систему трещин в очаговой зоне разрушения, позволяющий определить остаточный ресурс труб при воздействии циклических нагрузок в зависимости от глубины трещин и величины растягивающих напряжений.
Практическая значимость
Разработана методика определения остаточного ресурса газопровода в условиях циклического нагружения, имеющего как одиночные, так и множественные трещины, позволяющая прогнозировать время до его разрушения.
Особенности распределения твердости вблизи системы трещин применяются при выявлении потенциально опасных участков на предприятии ООО НПВП «Электрохимзащита». На этом же предприятии используются результаты механохимических исследований, полученные в работе, при диагностическом обследовании нефтегазовых трубопроводов.
Разработанная методика по расчету остаточного ресурса используются при проведении практических и лабораторных работ в УГНТУ при подготовке инженеров, бакалавров и магистров по следующим дисциплинам: «Механика разрушения конструкционных материалов» в рамках подготовки инженеров по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств», специализации «Техника антикоррозионной защиты оборудования и сооружений»; «Теория коррозии и защиты металлов» при подготовке бакалавров по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» по профилю «Машины и аппараты химических производств»; «Разрушение конструкционных материалов в коррозионных средах» в рамках подготовки магистров по направлению 151000 «Технологические
машины и оборудование» по программе «Антикоррозионная защита оборудования и сооружений».
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, конкурсах, конгрессах: 62, 63-ая студенческая научная конференция, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина «Нефть и газ - 2008, -2009» (Москва, 2008, 2009); IX научно-практическая конференция молодежи «Северные МН», (УГТУ, Ухта, 2008); Международная научная конференция «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (Москва, 2009); 60, 61, 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2009, 2010, 2011); Международная молодежная научная конференция «XVII Туполевские чтения» (Казань, 2009); Всероссийский научно-практический семинар «Энергоэффективность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Салават, 2010); XVII Международная научно-техническая конференция «Машиностроение и техносера XXI века» (Севастополь, Украина, 2010); Международная конференция «Фундаментальные основы коррозии материалов и защиты металлов от коррозии», посвященная памяти Г.В. Акимова (Москва, 2011); Международная научно-практическая конференция «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2011); II международная научная конференция «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Орск, 2011).
Публикации
Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (115 наименований), основных выводов и одного при-
7 ложения. Работа содержит 123 страницы, включает 43 рисунка, 12 таблиц.
КРН магистральных газопроводов
Для газонефтепроводов используют стали углеродистые обычной прочности, низколегированные повышенной прочности и низколегированные высокой прочности. Низколегированные стали высокой прочности применяют двух видов: дисперсионно-твердеющие и малоперлитные или бесперлитные (бей-нитные) стали контролируемой прокатки (экономно-легированные).
Высокопрочными малоперлитными трубными сталями называют стали с очень низким содержанием углерода и микродобавками ниобия, ванадия, титана, бора марок 09Г2ФБ, 10Г2ФБ и т.д. Они имеют после контролируемой прокатки малоперлитную (феррито-перлитную) мелкозернистую структуру. При использовании ускоренного охлаждения листовой низколегированной стали непосредственно после контролируемой прокатки эти стали могут иметь фер-рито-бейнитную или бейнитную (бесперлитную) структуру (бейнитные стали).
В отличие от малоперлитных и бейнитных сталей дисперсионно- твердеющие стали марок 17Г2СФ, 15Г2ФЮ содержат примерно в 1,5 - 2 раза большее количество углерода, который в сочетании с микродобавками приводит к образованию упрочняющих карбидных, нитридных, карбонитридных и других фаз и получению мелкозернистой феррито-перлитной структуры. Причем эффект от такого упрочнения существенно возрастает при применении нормализации и других видов термообработки. Дисперсионно-твердеющие стали склонны к переходу в хрупкое состояние при температуре от 10 до -20 С.
Марки стали для газонефтепроводов назначают в зависимости от их диаметров и температурных условий строительства (монтажа) и эксплуатации. По диаметру газонефтепроводов трубы условно подразделяют на трубы малых 16 менее 530 мм, средних - 530, 720 и 820 мм и больших диаметров - 1020, 1220 и 1420 мм. В зависимости от минимальных температур строительства и эксплуатации трубы изготовляют в обычном и северном исполнениях.
По состоянию металла трубы поставляют в следующих видах: горячекатаном (бесшовные горячекатаные трубы и электросварные трубы из горячекатаных листов и рулонной стали); термически упрочненном (подвергают термообработке трубы или листы для электросварных прямошовных труб); горячекатаном по контролируемому режиму (электросварные прямошовные и спираль-ношовные трубы из листов контролируемой прокатки); армированном квазимонолитном (электросварные прямошовные трубы). Возможна поставка электросварных труб с локальной термической обработкой сварных швов.
В качестве термической обработки листов трубной стали применяют обычно нормализацию или нормализацию с отпуском. При термическом упрочнении трубы подвергают закалке в сочетании с высоким отпуском.
Контролируемую прокатку используют для получения листов из малоперлитных и бейнитных сталей, идущих на изготовление электросварных труб больших диаметров (1220 и 1420 мм).
Новыми и наиболее экономически выгодными по сравнению с электросварными прямошовными трубами являются термически упрочненные спи-ральношовные трубы. Их изготовляют из низколегированной стали марки 17Г1С или 17Г2СФ диаметром 820, 1020 и 1220 мм по классу прочности К60 и из стали марки 17Г1С-У диаметром 1420 мм по классу прочности К65 для северных условий. Стали группы прочности выше, чем К60 (17Г2СФ, 14Г2САФ, 15Г2ФЮ) не прошли промышленных испытаний и в настоящее время они не применяются для изготовления магистральных трубопроводов.
В нашей стране на строительстве магистральных трубопроводов используют импортные трубы в северном или обычном исполнении из сталей примерно тех же марок, что и отечественные, в соответствии с согласованными техническими условиями на их поставку. Из Японии, Германии, Италии, Франции, Украины поставляют прямо-шовные трубы диаметром 1420, 1220 и 1020 мм по клаееам прочноети К65 и К60 и диаметром 720 и 530 мм по классам прочноети К60 и К54 из етали регулируемой прокатки е низким содержанием углерода и микролегированием ниобием, ванадием, титаном в северном исполнении; из Чехии - бесшовные горячекатаные трубы диаметром 530 мм по классу прочности К50 в обычном исполнении; из Германии - спиральношовные трубы диаметром 1420, 1020 и 720 мм по классу прочности К60 в северном исполнении.
В соответствии со стандартом Американского нефтяного института API 5L и API 5LU для газонефтепроводов изготовляют бесшовные и сварные экс-пандированные и неэкспандированные трубы из низколегированных сталей по группам прочности Х42, Х46, Х52 и низколегированных дисперсионно-твердеющих сталей по группам высокой прочности - Х56, Х60, Х70 и др. Эти-стали имеют более высокое содержание углерода по сравнению с аналогичными сталями, применяемыми в нашей стране, а также микродобавки ниобия, ванадия, титана.
Двухзначные цифры при индексе стали X (по API 5L) характеризуют группу прочности по номинальному нормативному пределу текучести оод (в фунтах на квадратный дюйм, поделенных на 1000). Чтобы перевести эти вели-чину в МПа, надо двухзначные цифры индекса стали умножить на 7,03. Например, для сталей Х70 оо 2 492 МПа. Следует отметить, что прямой перевод сталей из группы прочности «X» в группу прочности «К» невозможен в связи с тем, что во всем мире за предельное состояние принимается предел текучести стали От или о0,2, а в России - предел ее прочности Ов. Так сталь с индексом К имеет минимальную величину временного сопротивления Ов равную числу стоящему за индексом (в кГ/мм ). Для перевода используют минимальное значение отношения О"о д /Ов- Для магистральных трубопроводов оно равно 0,8. Поэтому сталь Х70 примерно соответствует стали К60.
Методы металлографических исследований
Шлифовка является наиболее важной операцией при изготовлении щлифов. Шлифование осуществляется путем истирания поверхности образца при последовательном переходе ко все более и более мелкозернистому абразивному материалу. При этом используют наждачную бумагу или абразивные порощки. Наилучшие результаты дает мокрое шлифование. Кроме того мокрая шлифовка является эффективным средством предупреждения перегрева образца. Шлифование предпринимается с целью уменьшить глубину слоя деформированного металла до такой степени, чтобы последние его следы можно было удалить полированием. Каждая ступень шлифования должна полностью удалять слой деформированного металла, созданный на предыдущей ступени.
Шлифование большинства металлографических образцов производится вручную; образец прижимается шлифуемой плоскостью к абразивному материалу. При таком методе очень трудно, особенно для новичка, создавать и поддерживать ровную плоскость по всей шлифуемой поверхности образца. Для преодоления этой трудности препаратор должен воздерживаться от более сильного нажима на одну сторону образца по сравнению с другой. Он должен также избегать любого «колебательного» движения, которое приведет к созданию выпуклой поверхности. Если операция шлифования прерывается, например для визуальной оценки качества поверхности, оператор должен обеспечить весьма хороший контакт образца с шлифовочным материалом, чтобы процесс шлифования возобновился по уже имеющейся плоскости. Используют следующие виды шлифовки: ручная шлифовка; механическая шлифовка производится с помощью вращаищегося круга. Для ряда травителей допускается шлифовка на металлообрабатывающих станках; притирка. Образец прижимается вручную к поверхности притирочного круга с нанесенным абразивом и перемещается по кругу вокруг его центра в направлении, обратном направлению вращения. Притирка создает более тонкие царапины и меньше искажает поверхностный слой образца, чем обработка с применением абразивного материала со связанными абразивными частицами.
Полировка является окончательной операцией подготовки образцов. При полировке используют мелкозернистые абразивы (корунд, алмаз). Используют следующие виды полировки ручное полирование на стекле, бумаге дает наилучшие результаты: автоматическая полировка обеспечивает высокое качество изготовления большинства металлографических шлифов: химическая полировка и электрополировка часто является окончательным этапом механической полировки: Наклепанный слой отсутствует. химико-механическая полировка. Ее проводят на круге с нанесенным абразивом, смоченным разбавленным раствором травителя. Наклепанный слой отсутствует. электромеханическая полировка. К полировочному кругу подключается отрицательный полюс, а к образцу - положительный и производится полировка с использованием абразива. Для твердых металлов используют переменный ток. искровая (электроэрозионная) полировка основана на эрозии поверхности образца при создании серии частых искровых разрядов Чем меньше энергия разряда, тем лучше качество окончательной поверхности. Травление Операция травления металлографичееких шлифов включает процессы выявления специфических структурных составляющих металла, невидимых на полированной нетравленой поверхности шлифа. Травление включает: химическое травление. Оно осуществляется путем погружения образца в травящий реактив или путем протирания образца этим реактивом до тех пор, пока не выявится желаемая структура. Во время травления поверхность шлифа у большинства металлов теряет свой блеск, что свидетельствует о протекании процесса травления. электролитическое травление Методика электролитического травления по существу не отличается от методики электролитической полировки, за исключением лишь того, что при травлении применяются более низкие напряжение и плотность тока. Образец является анодом, а в качестве катода выбираются относительно нерастворимые в электролите, но электропроводные материалы, как нержавеющая сталь, графит или платина. Согласно кривым, оптимальные условия травления создаются при напряжениях и плотности тока, соответствующих нижним участкам кривых: катодное вакуумное травление. Если металлографический шлиф использовать в качестве катода при тлеющем разряде в вакууме, то образец будет бомбардироваться положительными ионами со скоростью, достаточной для выбивания и удаления атомов с поверхности шлифа. Позволяет выявлять разнородные структуры, исключительно тонкие кристаллографические и структурные детали микроструктуры как в сильно-, так и в слабо-протравленных шлифах: выявление макроструктуры. Макроскопическое исследование позволя ет изучать дефекты и структуру на большой площади шлифа. Хранитель - смеси спиртовых растворов азотной и пикриновой кислот или смесь азотной и уксус ной кислоты. Травление проводят методом погружения или тампонным мето дом (для последнего травителя только тампонным). 2.2.2. Исследование микроструктуры стали Х70
Для отобранного образца было проведено исследование микроструктуры вдали от очаговой зоны разрушения. Для этого была проведена подготовка образца по описанной выше методике. Для сокращения времени проведения подготовительных операций исследования проводились по следующей схеме; вырезка образца на фрезерном станке; предварительная шлифовка на лабораторном шлифовальном станке; макроструктурное травление в реактиве УГНТУ (макротравление с одновременным выравниванием поверхности); полировка; микротравление. Микроструктурные исследования проводились с помощью микроскопа ЛОМО ЕС типа «МЕТАМ РВ-21-1» при двухсоткратном увеличении. В качестве реактива для микротравления применяли насыщенный спиртовой раствор пикриновой кислоты, используемый при микроструктурных исследованиях малоуглеродистых и низколегированных сталей к которым относится сталь Х70. Травление проводилось тампонным методом. Результаты приведены на рисунке 2.2.
Оценка напряженно-деформированного состояния металла с колонией трещин методом конечных элементов
Перед началом испытаний на растяжение по ГОСТ 1497 «Металлы. Методы испытания на растяжение» необходимо определить скорость перемещения активного захвата в зависимости от податливости испытательной установки и материала планируемого к испытанию образца [52,63,72].
Машины предназначены для работы в помещениях лабораторного типа при температуре окружающей среды от плюс 10 до плюс 35 С и относительной влажное от 45 до 80 % [56, 94, 103]. Принцип работы машин основан на принудительном деформировании образца при одновременном измерении нагрузки, прикладываемой к образцу, и соответствующей ей величины его деформации.
В состав системы деформирования образца входит устройство механического нагружения, контрольно-измерительное оборудование и захваты, предназначенные для удержания образца в процессе его растяжения (рисунок 3.2). Экспериментальная установка обеспечивает механическую связь и взаимодействие узлов, предназначенных для деформирования испытываемого образца при его растяжении.
В результате проведения опыта на растяжения образца произошло раскрытие самой глубокой трещины (рисунок 3.3). Причем трещина в первую очередь увеличилась в ширину, а не в глубину.
Стадии развития разрушения и его схемы. 1 - без нагрузки; 2 - рост трещины в ширину; 3 - рост тещины в ширину и глубину На рисунке 3,4 показано, что в процессе разрушения появляется тангенциальная составляющая, свидетельствующая о наступлении етадии вязкого до-лома [64 96]. Полученные результаты занесены в таблицу 3.1. г тра-г - Рисунок 3.4 - Наступления етадии вязкого разрущения хЮО Указанные выще обетоятельетва не позволили применить аппарат механики разрушения при обработке данных, полученных при раетяжении образца е поетоянной екоростью деформации.
Термодинамичеекая устойчивость стали Х70 определялась с помощью измерения электродного потенциала, измеряемого относительно каломельного электрода сравнения (НКЭ) марки КЕ 10/16, енабженного солевым моетиком. В качестве рабочей ереды использовался 3%-ный раствор NaCl. Измерения проводились в верщине раскрывающейся трещины. Результаты исследований приведены в таблице 3.1 и рисунке 3.5. Таблица3.1 Значение потенциала, напряжения и деформации Точки измерения Значение потенциала, -ф, В Отноеительная деформация при растяжении 8,% Напряжение а, МПа Несмотря на большое количество трещин, в очаговой зоне разрушений, развивается только одна трещина, относительно которой и проводились измерения. Как видно из приведенного графика (рисунки 3.3 и 3.5), потенциал (по абсолютной величине) увеличивается с ростом нагрузки, что свидетельствует о снижении термодинамической устойчивости стали. При больших деформациях, соответствующих разрушению образца, значение потенциала стабилизируется, что, очевидно, связано с протеканием релаксационных процессов. 600
На рисунке 3.5 прослеживается следующие особенности поведения зависимости потенциала от деформации. При больших деформациях величина потенциала стабилизируется, что свидетельствует о протекании двух процессов в вершине трещины. С одной стороны механические процессы уменьшают термодинамическую устойчивость, с другой стороны в результате протекания релаксационных процессов происходит развитие разрушения и облагораживание потенциала. Отмеченная задержка стабилизации потенциала (рисунки 3.3 и 3.5) связана с тем, что в начальный момент трещина растет только в ширину, а только затем в ширину и глубину. Разрушение металла по самой глубокой трещине, несмотря на перераспределение напряженно-деформированного состояния, свидетельствует о возможности применения стресс-теста для труб, имеющих множественные трещины в очаговой зоне КРН [7, 9, 37]. 3.2. Нахождение еункциональной йависимости иежду деформацией и потенциалом Зависимость потенциала от напряжения и деформации приведена на рисунке 3.6.
Наличие двух пиков на графике говорит о сложном характере влияния напряжения и деформации на величину потенциала. Оно связано с тем, что в начальный период времени напряжения возрастают с увеличением деформации. Затем происходит падение напряжений, связанное с движением трещины (рисунки 3.3 и 3.5). Поэтому в работе ограничились расчетом только зависимости потенциала от деформации. Использование в качестве независимой переменной деформации, а не напряжения связано со сложным характером поведения напряжения при раскрытии натурной трещины.
Для нахождения функциональной зависимости механохимической активности стали Х70 от деформации использовался нелинейный регрессионный анализ (до 100 итераций).
Аналитическая зависимость потенциала от величины растягивающих напряжений искалась в классе 4-х - 5-ти параметрических функций [82, 84, 85, 87, 88, 89]. Результаты расчета приведены в приложении. При этом наряду с высокой величиной коэффициента корреляции (детерминации) модель выбира 85 лась с наименьшим числом параметров. Наилучшей моделью на взгляд автора является функция сигмоида в виде:
Нахождение функциональной зависимости между количеством циклов нагружения и потенциалом
Для расчета остаточного ресурса металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой усталости (на стадии распространения трещины), в настоящее время используют методики, основанные на интегрировании зависимости СКОРОСТИ роста трещины — от изменения коэффициента интен-сивности напряжения АК [2,27] =F(KA), (4-і; где / - глубина трещины, мм; N- число циклов; АК - изменение коэффициента интенсивности напряжения за один цикл, мм/цикл.
Циклическое нагружение элементов конструкций, как известно, сопровождается повреждением металла от усталости [34]. Усталость приводит сначала к зарождению трещины, обычно в зоне концентрации напряжений или в зоне изначального повреждения поверхности детали. На этот процесс требуется определенное число циклов, которое в стандартных испытаниях на усталость не фиксируется. Факт появления трещины можно установить, только задавшись каким-то допуском на ее размер, поэтому число циклов до зарождения трещины можно определить только условно. Затем, зародившаяся трещина растет до полного разрушения. Полное число циклов, состоящее из суммы циклов на зарождение трещины и её распространение, определяет поцикловую долговечность детали. Стадия распространения трещины может занимать значительную долю общей долговечности в зависимости от условий нагружения. Эта доля тем больше, чем более неоднородно внешнее воздействие на деталь, чем более агрессивна окружающая среда.
Соответственно этому известный интерес представляет оценка долговечности по числу циклов переменного нагружения на стадии роста трещины (определение числа циклов при увеличении длины трещины от начального значения 1о до критического 1с). С теоретической точки зрения изучение параметров, ответственных за процесс роста трещины и входящих в расчетные уравнения, позволяет глубже вникнуть в механическую природу процессов, происходящих в окрестности растущей трещины. С практической точки зрения оценка долговечности важна для приложений, например, при расчете ресурса изделий.
Для оценки скорости роста усталостных трещин сначала использовали эмпирические формулы, в которые не входили параметры механики разрушения. Введение в число параметров, влияющих на распространение трещины, коэффициента интенсивности напряжений позволило судить об общих закономерностях роста трещины при повторном (циклическом) нагружении. И это естественно, так как рост трещины многоцикловой усталости происходит на фоне упругих деформаций, когда справедливы критерии линейной механики разрушения. Для определения остаточного ресурса строят кинетическую диаграмму усталостного разрушения (КДУР) в координатах Al/AN-АК, где А/ -приращение глубины трещины за число циклов - AN при определенной величине коэффициента интенсивности напряжения АК (рисунок 4.1). Затем находят функциональную зависимость между этими величинами. В простейшем случае ограничиваются средней части диаграммы, где в двойных логарифмических координатах возможно графическое решение этой задачи (справедливо уравнение Париса). І "max- 9 Г "
Однако такой подход дает большую ошибку. Она связана с предположением о малой продолжительности первой стадии разрушения. Работами кафедры МЗК УГНТУ показано, что первая и вторая стадии разрушения описываются с помощью параболической, экспоненциальной или логарифмической моделями [26, 27, 75]. Использование этих моделей позволяет повысить точность прогнозирования живучести металлоконструкций в условиях циклического нагруже ния.
Остаточный ресурс, через количество циклов до разрушения, определяется интегрированием найденной функции. При этом приращения заменяется дифференциалами.
Определение параметров циклической трещиностойкости образца с колонией трещин эксплуатационного происхождения В результате проведенных в УГНТУ исследований было показано, что для аналитического описания КДУР наиболее пригодными являются логарифмическая и параболическая (обратная парабола) функции. Для нахождения па 95 раметров этих зависимостей был проведен линейный регрессионный анализ [3, 81, 86, 90, 91], результаты которого приведены на рисунках 4.2 и 4.3 и в таблицах 4.1-4.4. ДК, MnavM Рисунок 4.2 - Параболическая модель развития усталостной трещины ГР 42 ЛК, МПал м Рисунок 4.3 -Логарифмическая модель развития усталостной трещины Таблица 4.1 - Параметры параболической модели А =а + Ь- АК-р dN (4.2) Параметр Значение Стандартная ощибка коэффициентов 1 - статистика Сть-дента Уровень значимости Коэффициенткорреляции г Коэффициентдетерминации R2 Стандартная ошибка прогнозирования а -1,6-10"э 6,4- 10 ь -2,4 0,03 0,93 85,7 8,8-Ю-6 Ь 6,4- Wb 6,6-10_/ 9,8 0 р - единичный нормирующий множитель
