Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема механохимической неоднород ности объектов нефтегазового комплекса 11
1.1. Объект исследования, характеристики безопасности и их взаимосвязь с механохимической неоднородностью 11
1.2. Основные направления обеспечения безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов с механохимической неоднородностью 34
1.3. Анализ современных подходов к оценке прогнозируемого и остаточного ресурса 50
Выводы по разделу 60
2. Особенности оценки напряженно-деформи рованного состояния конструктивных эле ментов с механохимической неоднород ностью 62
2.1. Базовые элементы с мягкими прослойками 62
2.2. Механические неоднородные мягкие прослойки 72
2.3. Оценка напряженного состояния элементов с учетом отклонений от формы 95
Выводы по разделу 113
3. Оценка предельных параметров базовых элементов с механохимической неоднород ностью по критериям статической проч ности и трещиностойкости 115
3.1. Оценка предельных нагрузок при статическом нагружении 115
3.2. Особенности расчетной оценки прочности элементов при сдвиге, кручении и изгибе 137
3.3. Несущая способность элементов с переменными по свойствам прослойками 148
3.4. Влияние на прочность разнородных элементов трещиноподоб-ных дефектов 162
3.5. Сопротивление хрупкому разрушению 175
3.6. Особенности оценки предельных нагрузок при наличии в элементах побочных дефектов 199
Выводы по разделу 211
4. Оценка ресурса конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубо проводов с учетом механохимической кор розии и неоднородности 213
4.1. Оценка циклической долговечности 213
4.2. Влияние повышенных температур на долговечность элементов.. 218
4.3. Долговечность элементов в условиях механохимической коррозии 225
4.4. Оценка ресурса элементов при коррозионном растрескивании... 250
4.5. Долговечность обечаек с побочными дефектами 258
Выводы по разделу 265
5 Разработка нормативной базы обеспечения безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов 267
5.1. Методики расчетов остаточного ресурса газонефтяного оборудования и трубопроводов с механохимической неоднородностью 267
5.2. Технологическое обеспечение работоспособности элементов оборудования и трубопроводов с механохимической неоднородностью 268
Выводы по разделу 278
Общие выводы и рекомендации по работе 279
Литература 284
Приложение
- Основные направления обеспечения безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов с механохимической неоднородностью
- Оценка напряженного состояния элементов с учетом отклонений от формы
- Несущая способность элементов с переменными по свойствам прослойками
- Долговечность элементов в условиях механохимической коррозии
Введение к работе
В плане обеспечения безопасности оборудования выделяют в основном следующие направления:
-рассредоточение (ликвидация) потенциально опасных производств или предприятия в целом;
-полная замена морально устаревших процессов и технологий, а также физически изношенного оборудования и трубопроводных систем;
-дальнейшая эксплуатация потенциально опасных объектов нефтегазового комплекса с обеспечением промышленной и экологической безопасности.
В связи с этим разработки методов оценки остаточного ресурса оборудования, гарантирующих безопасность эксплуатации, являются чрезвычайно актуальными. Кроме того, следует учесть, что большинство объектов нефтегазового комплекса работает за пределами проектного ресурса.
В настоящее время реализация первых двух направлений является проблематичным из-за тяжелого экономического положения. Третье направление является наиболее реальным.
Крупнейшие природные и техногенные аварии последних лет выявили существенную роль, значимость и необходимость углубления исследований в области теории безопасности и катастроф, а также прикладных разработок по обеспечению промышленной и экологической безопасности.
В целях реализации основ национальной политики в области обеспечения безопасности в 1991 году была принята к исполнению Государственная научно-технологическая программа "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных аварий и катастроф" (ГНТП "Безопасность"). Анализ концепции, структуры и основных научных направлений ГНТП "Безопасность" показывает, что в программе реализуется принципиально новый подход, заключающийся
в реальном обеспечении безопасности человека, сложных технических систем и окружающей среды на базе решения следующих проблем:
-разработка фундаментальных основ теории техногенных и природных аварий и катастроф, теории защиты и безопасности;
-создание единой национальной, региональной, международной нормативно-законодательной базы по техническому, правовому и экономическому регулированию вопросов безопасности;
-переход к проектированию, созданию и эксплуатации потенциально опасных производств и объектов на базе новых критериев, методов и средств обеспечения безопасности;
-создание методов и средств оповещения, защиты и спасения людей, а также ведение восстановительных работ в зонах возникновения и развития катастроф.
Первые три направления в той или иной степени связаны с разработкой новых методов и подходов по оценке остаточного ресурса элементов конструкций, в частности, нефтегазового оборудования и трубопроводов, гарантирующих безопасность их эксплуатации в назначенный срок работы. Методы оценки остаточного ресурса оборудования и трубопроводов должны базироваться на фактических данных о техническом состоянии и критериях, учитывающих старение, коррозию, дефектность металла и др.
Одним из малоизученных вопросов этой сложной проблемы является оценка изменения структуры и свойств металла, элементов оборудования после длительной эксплуатации. В некоторых случаях временные структурно-механические изменения приводят к дополнительной механической неоднородности оборудования, например, в некоторых сварных элементах после длительной эксплуатации могут возникнуть «диффузионные» мягкие и твердые прослойки (из-за диффузии углерода).
Механохимическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств отдельных участков элементов оборудования, в ряде случаев может
создаваться преднамеренно при выполнении ремонтных работ по исправлению обнаруженных при диагностике дефектов сварных элементов и основного металла.
Во многих случаях в элементах нефтегазового оборудования и трубопроводов имеет место одновременно отклонение свойств геометрической формы (геометрическая неоднородность). В конечном итоге, указанные отклонения сварного нефтегазового оборудования и трубопроводов усиливают явление механохимической неоднородности (МХН). Как известно, при воздействии на металл коррозионных рабочих сред роль механической и геометрической неоднородности в формировании характеристик безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов возрастает вследствие проявления МХН.
Одним из распространенных дефектов, обнаруженных при диагностике, являются отклонения от крутости: угловатость (увод кромок), овальность и смещение кромок. Расчетам напряженного состояния, оценки несущей способности и долговечности элементов с отклонениями от круглости посвящено достаточно большое количество опубликованных работ, в частности, известные исследования проф. Г.А. Николаева (МГТУ им. Н.И. Баумана), О.А. Бакши (ЧГТУ), О.И. Стеклова (ГАНГ им. И.М.Губкина), Н.А. Махутова (ИМАШ РАН). Г.С.Васильченко (ЦНИИТМАШ), А.Д. Никифорова (МИХМ) и др.
Следует отметить, что наиболее полно изучено влияние на ресурс оборудования смещения кромок и овальности. В литературе недостаточно сведений о влиянии на ресурс оборудования изменения структурно-механических характеристик металла при длительной эксплуатации. При оценке ресурса прочности сварных соединений с угловатостью не учитываются локальные напряжения, обусловленные острыми переходами в зоне сварных швов. Поэтому, большое практическое значение приобретают развитие подходов механики разрушения при оценке ресурса базовых элементов
оборудования с отклонениями от круглости. Требуют совершенствования подходы учета механохимической коррозии при оценке ресурса оборудования.
Одной из особенностей оценки ресурса оборудования развиваемого в настоящей работе является тот факт, что радиус закругления в вершине угловатости принимается бесконечно малым, стремящимся к нулю (р-»0). Это обосновывается следующими причинами. Во-первых, радиус закругления не поддается контролю и в соответствующих нормативных документах не регламентируется. Во-вторых, такой подход дает некоторый запас прочности и долговечности сварных соединений. В-третьих, в сварных соединениях с угловатостью не исключается возможность появления участков с весьма малым радиусом закругления р (р->0).
Дальнейшее повышение надежности, технологичности и экономичности сварных конструкций настоятельно требует использования всех имеющихся резервов. Одним из таких резервов является оптимизация конструктивных форм элементов на базе современных достижений в области механохимической неоднородности. Проблема механохимической неоднородности стала особенно актуальной в связи с усложнением условий работы конструкций, расширением номенклатуры применяемых материалов со специальными свойствами, в том числе высокопрочных сталей и сплавов. Поэтому актуальным является развитие методов оценки прогнозируемого ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов, базирующиеся на критериях механохимической неоднородности.
Работа выполнена в рамках выполнения работ по первому научному направлению Государственной научно-технической программы (ГНТП) "Безопасность" - "Новые методы и критерии обеспечения безопасности рабочих процессов технологий, конструкций, сложных технических систем, людей и окружающей среды в случае возникновения техногенных аварий и катастроф" и, в частности, его проекту 1.5 "Разработка механики катастроф и
методов оценки безопасности по критериям механики разрушения и живучести сложных технических систем в поврежденных состояниях" в 1994-2000 г.г.
В целом работа направлена на обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов.
Цель работы заключается в обеспечении работоспособности и безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов регламентацией безопасного срока эксплуатации, определяемого на базе выявленных закономерностей напряженного состояния, несущей способности, и прогнозируемого и остаточного ресурса их элементов с учетом механохимическои коррозии и неоднородности.
Основные задачи исследования:
установление особенностей напряженного состояния нефтегазового оборудования с механохимическои неоднородностью;
разработка методов расчета несущей способности и трещиностойко-сти элементов оборудования и трубопроводов с механохимическои неоднородностью;
исследование и оценка ресурса элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом фактора времени;
разработка методов оценки ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов, работающих в условиях малоциклового и длительного статического нагружения с учетом локализованных процессов механохимическои коррозии и неоднородности;
- создание нормативной базы по оценке прогнозируемого и остаточного ресурса элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с механохимическои неоднородностью.
Научная новизна работы:
- на основе выполненного в работе анализа напряженного состояния
конструктивных элементов с механохимическои неоднородностью предло-
жен метод расчета несущей способности оборудования и трубопроводов, содержащих в своем составе мягкие и неоднородные прослойки с произвольным распределением исходных свойств, базирующийся на среднеинтеграль-ной оценке касательных напряжений на их контактных поверхностях;
выявлен механизм снижения несущей способности элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях стресс-коррозии, на основании которого, дана количественная оценка их ресурса;
предложен и апробирован инженерный метод оценки характеристик трещиностойкости элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с механохимической неоднородностью по предельным нагрузкам и использовании коэффициента снижения средних разрушающих напряжений в нет-то-сечении неоднородных прослоек;
-на основании выполненного анализа кинетики изменения геометрических параметров элементов, предложены новые аналитические зависимости для расчета долговечности (времени до разрушения) нефтегазового оборудования и трубопроводов, учитывающие особенности общей и локализованной механохимической коррозии и напряженности металла.
Практическая ценность результатов исследования заключается в том, что:
- разработанные методы расчета ресурса позволяют давать обоснован
ные рекомендации по оценке безопасного срока службы оборудования и тру
бопроводов, в том числе, работающих за пределами проектного ресурса;
- основные результаты работы положены в основу разработанных нор
мативно-технических материалов по оценке и повышению ресурса оборудо
вания и трубопроводов, согласованных с головным институтом ВНИИнеф-
темаш, ИПТЭР и Госгортехнадзором РФ.
На защиту выносятся методы расчета прогнозируемого и остаточного ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом механохимической коррозии и неоднородности.
Личный вклад автора. Постановка данного исследования, формулировки и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, руководство всеми этапами исследования, участие в их проведении, публикации и внедрение результатов. Часть результатов, в частности натурных испытаний проведены при участии сотрудников ОАО «Салаватнефтемаш», НПО «Техником» и МНТЦ «БЭСТС». Им автор выражает глубокую признательность и благодарность.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 305 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 112 рисунков, список литературы включает 203 наименования.
Автор выражает благодарность проф. Морозову Е.М. и РАН Махутову Н.А. за помощь и консультации при выполнении данной работы.
Основные направления обеспечения безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов с механохимической неоднородностью
Работоспособность сварных соединений определяется не только свойствами отдельных зон с различным физико-механическим состоянием, а также их размерами и соотношением механических характеристик. При сварке термоупрочненных сталей в зоне термического влияния возникают участки (мягкие прослойки) с пониженными прочностными характеристиками в сравнении с основным металлом. Тем не менее, при определенных ограничениях режимов сварки возможно обеспечивать равнопрочность сварного соединения и основного металла, несмотря на наличие в них мягких прослоек. Основными способами повышения работоспособности таких сварных соединений являются: уменьшение относительной толщины мягких прослоек путем регулирования термических циклов сварки (уменьшение погонной энергии и сопутствующее охлаждение; наложение дополнительных швов в зоне термического влияния при малых погонных энергиях; сварка на медных подкладках и др.). Заметим, что иногда механическая неоднородность может создаваться преднамеренно, например, с целью повышения технологической прочности предлагается производить мягкими или композиционными швами.
В некоторых случаях, с целью снятия остаточных напряжений, целесообразно предварительное нагружение конструкции, которое совмещается с предпусковыми испытаниями, например, гидравлическими испытаниями трубопроводов и сосудов давления. При создании в швах напряжений, соответствующих пределу текучести, происходит практически полное снятие сварочных напряжений [68]. Кроме того, при гидравлических испытаниях выявляются различные дефекты. При этом, чем выше уровень испытательных напряжений, тем меньше размеры невыявленных дефектов, а, следовательно, должна быть выше прочность и долговечность конструкции. Однако, следует иметь в виду, что в процессе перегрузки конструкции в областях концентраторов напряжений возможно исчерпание запаса пластичности металла, что создает условия для реализации хрупкого разрушения.
Долговечность конструкций, например, при повторно-статическом нагружении, определяется уровнем локальной напряженности металла, поэтому при выполнении сварных соединений необходимо обеспечивать плавные сопряжения металла шва и основного металла с целью снижения концентрации напряжений. В некоторых случаях для повышения работоспособности сварных соединений целесообразно применение твердых швов, металл которых обладает более высокими прочностными характеристиками, чем основной металл. При этом следует принимать меры по обеспечению технологической прочности (например, предварительный подогрев при сварке). Особые требования к технологии должны предъявляться при изготовлении изделий из закаливающихся при сварке сталей. Особенностью сварных соединений из закаливающихся сталей является наличие в них твердых прослоек. Работоспособность сварных соединений с твердыми прослойками зависит от размеров и свойств последних. Технологические приемы по ограничению размеров твердых прослоек способствуют повышению работоспособности сварных соединений. В металле твердых прослоек при нагружении реализуется более "мягкое" напряженное состояние, чем в основном металле, вследствие чего отмечается рост деформационной способности сварных соединений [11]. Наиболее радикальным способом повышения работоспособности сварных соединений из закалившихся сталей является подогрев при сварке и последующая термическая обработка.
Отметим также следующие общие задачи сформулированные нами [77], решение которых позволит повысить работоспособность трубопроводов и оборудования. 1 .Обоснованный выбор материалов, отвечающих как требованиям технологичности, так и эксплуатационной прочности. Основными показателями свариваемости, как одного из главных показателей технологичности, являются следующие: а) чувствительность металла к окислению при сварке и примесям внедрения; б) реакция металла к термодеформационному циклу сварки, выражающаяся в склонности к перегреву, росту зерна, структурных и фазовых превращениях при сварочном нагреве, степени разупрочнения и т. д.; в) сопротивляемость образованию горячих трещин; г) сопротивляемость замедленному разрушению трещины "холодные", повторного нагрева и др.; д) чувствительность к порообразованию; е) эксплуатационные показатели. Свариваемость, являясь технико-экономическим показателем, предопределяет выбор вида сварки и РАСПИСКА ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА технологии сварки (сварочные материалы, режимы и технику сварки). Одним из главных эксплуатационных показателей, наряду с обеспечением равнопрочности сварного соединения с основным металлом, является обеспечение близких значений коррозионно-механической прочности (при работе изделия в коррозионных средах). 2. Разработка научно обоснованных методов и норм расчета конструкций с учетом реальных эксплуатационных условий и, в частности, коррозионного воздействия рабочих сред. 3. Выбор и разработка рациональной технологии изготовления конструкции. Для сварных конструкций первостепенное значение имеют: обоснованный выбор вида, параметров, режима сварки и сварочных материалов; улучшение свойств соединения путем термической, механической и термомеханической обработки; исключения технологических и конструктивных концентраторов напряжений. 4. Обоснование рациональных методов повышения коррозионно механической прочности конструкций, выполненных из материала, отвечающего требованиям 1. К таким методам относятся: а) применение защитных покрытий; б) ингибирование; в) электрохимические методы защиты; г) технологические способы повышения коррозионно-механической прочности (термическая, механическая, термомеханическая обработка). Обоснование выбора материала и рациональных методов повышения его коррозионно-механической прочности является задачей оптимизационной, экономической.
Следующая группа путей повышения работоспособности имеет направленность на решение названных выше проблем. 5. Методологическое обоснование методов испытаний, позволяющих оценивать и прогнозировать коррозионно-механическую прочность. Преимущественно используемые в настоящее время образцы при одноосном нагружении позволяют получать только сравнительную оценку материалов и технологию, но не достаточны для оценки работоспособности конструкций. Следует развивать методы испытаний макетов, узлов, образцов, имеющих конструктивное и технологическое подобие с наиболее опасными узлами реальных конструкций с целью отработки конструктивных и технологических решений; методы испытаний на основе механики разрушения; натурные и стендовые методы испытаний.
Оценка влияния и значимости основных конструкторско-технологических факторов для обоснованного решения об устранении их вредного влияния, если таковое обнаруживается, с учетом конкретных свойств материала, условий нагружения и среды. К важнейшим факторам, влияющим на работоспособность конструкции, относятся следующие: а) степень изменения свойств под действием термодеформационного цикла; б) уровень и распределение остаточных напряжений; в) технологические и конструктивные концентраторы напряжений; г) жесткость схемы напряженного состояния.
Оценка напряженного состояния элементов с учетом отклонений от формы
Отличием настоящего решения является то, что развиваемый нами в работе метод позволяет определять напряжение в любой произвольной точке элемента с угловатостью, в том числе в непосредственной близости к угловой точке В (рисунок 2.18, а). Решение задачи делится на два этапа.
Вначале известными методами сопротивления материалов и упругости образуются небранные и краевые (от угловатости) напряжения. Затем находятся локальные напряжения в окрестности угловой точки.
Ниже дается методика определения напряжений в обечайке (трубе) с угловатостью под действием внутреннего давления, разработанная при участии автора [135]. Полагается, что окружное сечение обечайки, имеющей угловатость, состоит из двух частей: угловой ABC и криволинейной ADC (рисунок 2.18). Из-за различной деформационной способности углового и криволинейного участков при нагружении внутренним давлением в месте сопряжения указанных частей сечения обечайки возникают краевые сила Р() и момент М(Ь что приводит к появлению дополнительных напряжений.
Угловатость будем характеризовать двумя угловыми параметрами: центральным углом 2а и углом в вершине угловатости Р (рисунок 2.18). Угловатость полагаем одинаковой по всей образующей обечайки. Это дает основание принять в качестве расчетной схемы раму единичной ширины, состоящей из уголковой части и криволинейного стержня с постоянным радиусом кривизны, равным радиусу обечайки, и нагруженной равномерно распределенной поперечной нагрузкой на внутренней поверхности. Для нахождения внутренних усилий мысленно разрезаем раму в зоне сопряжения прямого и криволинейного участков - точке С вместо внутренних связей вводим неизвестные силовые факторы Р0 и М0. Схемы нагружения обоих участков поперечного сечения обечайки приведены на рисунке 2.18, б.
Коэффициенты уравнений (2.44) определяем с помощью интегралов Мора. При этом считаем, что обечайка тонкостенная, поэтому перемещения от действия поперечной силы незначительны и с большой точностью их можно не учитывать. Таким образом, выраженная для нахождения перемещений от действия нагрузок будут следующими: Оценка локальных напряжений в окрестности вершины угловатости Выше были рассмотрены напряжения от действия краевых сил и моментов, возникающих в стенке обечайки из-за дефекта типа "угловатость". Использованный метод оценки напряжений не позволяет производить оценку напряжений в непосредственной близости к вершине угловатости. Очевидно, что в вершине угловатости (при х=0) напряжения устремляются к бесконечности. Аналогичный факт имеет место в вершине трещины. Следовательно, оценку напряженного состояния в окрестности вершины угловатости необходимо производить методами механики трещин и разрушения. Однако, в рассматриваемом случае появляется дополнительный параметр: угол р. Степень напряженности в окрестности вершины острых v-образных концентраторов существенно зависит от угла (3. Также как и в окрестности вершины трещины при р— 0 в вершине v-образного концентратора напряжений устремляются к бесконечности (а;—»со). Однако, степень напряженности в области трещины выше, чем в угловатости [25, 29, 31 и др.].
Коэффициент интенсивности напряжений (КИН) является основной характеристикой, определяющей степень напряженности материала в области вершины трещины. Величина КИН зависит от номинального напряжения 7Н, длины (или глубины) трещины и безразмерного параметра Y, называемого поправочной функцией и зависящей от местоположения и геометрических параметров модели с трещиной. Номинальные напряжения и длина трещины являются известными величинами.
В настоящее время разработаны многочисленные методы расчетно-экспериментального определения КИН: комфорных отображений; коллока-ций; плоских сечений; конечных и граничных элементов; фотоупругости и др. Однако, большинство из разработанных методов требуют сложных математических операций и весьма трудоемки, хотя современные достижения вычислительной техники разрешают эту проблему. Кроме того, любой аналитический расчет требует дальнейшего экспериментального подтверждения. Нами [7] предложен и доступный метод оценки КИН по предельной нагрузке моделей из хрупких материалов. Сущность метода заключается в следующем: из хрупкого материала, например, из органического стекла, изготавливается базовый образец, для которого известно точное значение КИН. Путем испытаний базового образца определяется критическое значение интенсивности напряжений известными методами. Далее, из того же хрупкого материала изготавливается исследуемая модель с заданными геометрическими параметрами. После испытаний моделей определяются предельные нагрузки и напряжения. Испытания проводятся по такой же схеме нагружения, как и базовые образцы. Ниже доказано, что отношение предельных нагрузок рассматриваемых моделей обратно пропорционально величине их поправочных функций.
Несущая способность элементов с переменными по свойствам прослойками
По аналогии с гомогенной мягкой прослойкой [1, 14] предполагается два предельных состояния: вязкое и квазихрупкое. Вязкое разрушение наступает, когда возрастающие в процессе разрушения касательные напряжения достигают на контактных плоскостях твердого и мягкого слоев прослойки соответствующих пределов текучести при чистом сдвиге kj.
Как было показано, сопротивление деформированию композитной прослойки может расти до тех пор, пока на всей площади контактных плоскостей слоев касательные напряжения не достигнут своих предельных значений - пределов текучести при чистом сдвиге Kj. В этот момент начинается проскальзывание и развитое течение металла композитной прослойки по контактным плоскостям.
Установлено, что картины муаровых полос при сжатии (левое фото на рисунок 3.21, а) и растяжении (правое фото) идентичны. Поэтому большинство опытов проведено при сжатии образцов (это позволило получить более качественную картину изолиний). Как видно, изолинии сильно искривлены, что свидетельствует о неоднородности напряженно-деформированного состояния моделей с прослойками. В образцах с тонкими прослойками пластические деформации интенсивно распространяются на основной металл. В образцах с двухслойной прослойкой деформирование твердого металла происходит в виде веера. С уменьшением толщины прослойки пластические деформации распространяются на основной металл с более равномерным характером распределения (рисунок 3.22, г), что является результатом проявления эффекта контактного упрочнения.
Для моделей с реальной неоднородностью коэффициент контактного упрочнения заметно меньше, чем для моделей с Кв »1,0 (зачерненные кружочки).
В силу особенностей контактных явлений в твердом металле при одноосном растяжении реализуется напряженное состояние с отношением шарового тензора к девиатору меньшим 1/3. При этом, в мягком металле это отношение, наоборот, больше 1/3. Это связано с тем, что в твердом материале напряжения ах сжимающие, а в мягком - растягивающие. Разработанные в настоящей главе теоретические разработки нашли подтверждение при работе сварных соединений в условиях, близких к эксплуатационным, в частности, при ударных нагрузках и отрицательных температурах, в условиях двухосного растяжения, в коррозионных средах и Др. В частности, были испытаны сварные пластины и трубы из стали Х60 с композитными швами. Для сварки корневого мягкого слоя применяли специально разработанные во ВНИИСТ электроды на основе марки УОНИ 13-45. Остальные (твердые) слои заваривали электродами УОНИ (3-55). Анализ результатов гидравлических испытаний показывает, что при испытаниях труб имеет место контактное упрочнение композитного шва. Практически все трубы разрушались по основному металлу. В литературе имеется ряд сообщений, в которых указывается о невозможности обеспечения равнопрочности сварных соединений при двухосном растяжении. Поскольку этот вопрос имеет большое практическое значение, были поставлены специальные опыты по исследованию несущей способности сварных соединений с мягкой прослойкой при двухосном растяжении. Был использован наиболее жесткий способ испытания металлов при двухосном растяжении методом гидростатического выпучивания плоских образцов. Образцы со стыковым диаметральным швом моделировали в виде соединения, состоящего из основного металла (ОМ), металла зоны термического влияния (ЗТВ) и мягкого металла (М) (рисунок 3.25, а). Оценку механических свойств сварных соединений производили по относительному критическому давлению выпучивания а , и высоте выпучивания: где Ртах и hmax - максимальное давление и высота выпучивания при гидростатических испытаниях до разрушения; S0 и D - толщина образца и диаметр окна матрицы. Параметры q и п соответственно характеризуют прочность и пластичность сварных образцов.
Рост относительной прочности сварных соединений с уменьшением степени разупрочнения свидетельствует о проявлении эффекта контактного упрочнения, хотя разрушения всегда происходили по разупрочненному участку из-за неполной реализации эффекта контактного упрочнения. При сварке термоупрочненных низколегированных сталей иногда степень разупрочнения составляет 10-20%. В соответствии с формулой (3.39) при Кв = 1,1 ...1,2 критическая относительная толщина мягкой прослойки составляет: ХкР = 0,04 ... 0,07. Ясно, что обеспечить такие относительные толщины мягких прослоек на реальных сварных соединениях трудно. Однако, из этого не следует вывод о невозможности обеспечения равнопрочности сварных соединений и основного металла. Таким образом, контактное упрочнение имеет место и при двухосном растяжении. Полученные формулы (3.37) - (3.39) использованы для расчета прочности сосудов с механически неоднородными сварными соединениями.
Долговечность элементов в условиях механохимической коррозии
При малоцикловом нагружении номинальные напряжения в мягкой прослойке обычно превышают предел текучести ее материала. Поэтому понятной является причина повышения сопротивления малоцикловой усталости при уменьшении относительной толщины мягких прослоек [77]. Как и при статическом нагружении, это проявление контактного эффекта. При многоцикловом нагружении номинальные напряжения в конструкции и предел выносливости материала (последний даже при отсутствии концентрации напряжений) меньше по величине предела текучести. Поэтому на первый взгляд здесь контактное упрочнение не должно иметь место. Между тем, в опытах было показано, что и при многоцикловом нагружении с уменьшением относительной толщины мягкой прослойки, не содержащей концентраторов напряжений, ее предел выносливости существенно повышается [77]. Изучение природы этого упрочнения показало, что и оно является следствием сдерживания соседним, более прочным металлом процесса накопления и развития микропластических деформаций в прослойке, приводящих к образованию усталостной трещины. Отметим, что накопление указанных микропластических деформаций при номинальных напряжениях, меньших предела текучести, может привести к ощутимому эффекту развития макропластических деформаций.
Будем называть коэффициентом контактного упрочнения при циклическом нагружении КХУ отношение предела выносливости мягкой прослойки aR к пределу выносливости ее металла, измеренному из однородных (монометаллических) образцах ст . Так, для симметричного цикла Кху = а_, /ам,. Из рисунка 4.1, а [77] видно, что контактное упрочнение мягких прослоек при изгибе проявлялось тем сильнее, чем меньше х и больше степень механической неоднородности соединения Кв. Опытные точки хорошо согласуются с расчетом (сплошные линии). Последний выполнен с помощью формулы, пригодной для стальных образцов: Кху = (50 + 0,38а:-Кх-Кр )/(50 +0,38а:). (4Л) Знаменатель этой формулы представляет собой предел выносливости металла мягкой прослойки при симметричном цикле, выраженный через о" (МПа) на основании статистической обработки опытных данных для 55 марок сталей (применительно к образцам диаметром до 10 км с полированной поверхностью). Физический смысл числителя формулы (4.1) - предел выносливости мягкой прослойки с учетом ее контактного упрочнения и степени его реализации, учитываемых коэффициентами Кх и Кр. Напомним, что величина Кр 1 является функцией % и степени механической неоднородности соединения Кв.
При малых значениях аст и малой чувствительности к надрезу контактное упрочнение в условиях циклических нагрузок будет проявляться в широком диапазоне изменений % (рисунок 4.1, б). Наоборот, при острых глубоких надрезах (большом аст) и больших q роль концентрации напряжений становится преобладающей, и предел выносливости мягкой прослойки будет равен пределу выносливости ее металла, т.е. контактное 216 упрочнение не проявится. Более того, при достаточно тонких прослойках и большом ас предел выносливости прослойки может стать ниже предела выносливости ее металла (при таком же концентраторе), потому что с уменьшением х повышается и чувствительность мягкой прослойки к надрезу. Таким образом, предел выносливости мягкой прослойки, содержащей концентратор напряжений, может быть больше, равен или меньше предела выносливости металла прослойки при таком же концентраторе.
Так же, как и для однородных (монометаллических) образцов, предел выносливости мягких прослоек зависит от вида напряженного состояния. Поскольку усталостное разрушение начинается обычно с поверхности, где одна из компонент главных напряжений равна нулю, важно изучить влияние на поведение мягких прослоек плоского напряженного состояния, которое реализуется, например, при совместном изгибе и кручении стержня, содержащего мягкую прослойку.
В зависимости от соотношения изгибающего Ми и крутящего Мкр моментов будет меняться соотношение нормальных и касательных напряжений на поверхности прослойки и степень ее контактного упрочнения с уменьшением х Так, при кручении (Ми = 0) твердый металл не мешает накоплению микропластических деформаций в мягкой прослойке, и поэтому х предел выносливости при циклическом кручении не зависит от х и равен пределу выносливости металла прослойки.
Испытания при циклическом нагружении образцов с твердыми прослойками, не имеющими концентраторов напряжений, показывают, что разрушение, как правило, происходит не по твердой прослойке, а по мягкому основному металлу в определенном отдалении от контактной поверхности, там, где отсутствует упрочнение мягкого металла за счет усложнения его напряженного состояния.
В реальных сварных соединениях роль твердых прослоек зачастую выполняют непосредственно прилежащие к шву участки основного металла, где, благодаря высокой скорости охлаждения, повышаются пределы прочности, текучести и твердость. Здесь же располагается и концентратор напряжений, в месте перехода от поверхности шва к основному металлу и в виде дефекта. Металл в этом месте имеет обычно повышенную чувствительность к концентрации напряжений. Разрушение начинается с упомянутых концентраторов.
