Содержание к диссертации
Введение
Глава I Литературный обзор 13
1.1 Общая характеристика дефектов трубопроводов 13
1.2. Анализ прочностных особенностей сварных соединений 16
1.3. Оценка характеристик концентрации напряжений в сварных соединениях и дефектах труб 23
Глава II Экспериментальные исследований механических свойств сварных соединений и околошовной зоны 30
2.1. Методы механических испытаний 31
2.1.1. Испытания на растяжение 31
2.1.2. Испытания на изгиб 36
2.2. Влияние поверхностных дефектов на механические характеристики и прочностные свойства трубных сталей 38
2.3. Экспериментальная оценка прочности сварных соединений трубопроводов компрессорных станций 49
2.4. Стендовые гидравлические испытания прочности кольцевых сварных швов с дефектами 52
2.5. Анализ механических свойств сварных соединений трубопроводов по предельным состояниям 60
2.5.1. Испытания на растяжение 68
2.5.2. Результаты испытаний на статический изгиб
2.5.3. Испытания образцов на ударную вязкость Выводы по главе II 71
Глава III Компьютерное моделирование влияния макрогеометрии сварного соединения на прочность магистральных и технологических трубопроводов 73
3.1. Методы математического моделирования 73
3.2. Параметрическая модель сварного соединения трубопровода 82
3.2.1. Геометрическая модель 82
3.2.2. Граничные условия 86
3.2.3. Определения предельного давления для двух схем граничных условий на основе деформационного критерия разрушения 87
3.3. Компьютерное моделирование прочностных характеристик трубопроводных обвязок в соединениях с изменением диаметра труб 95
Выводы по главе III 103
Глава IV Анализ влияния пор, включений и других дефектов в объеме сварного шва на прочность стыка трубопроводов 104
4.1. Моделирование процессов упругопластического развития трещины в трубопроводах в зоне сварного шва 104
4.1.1. Моделирование микродефектов в рамках параметрической модели 106
4.1.2. Выбор критерия деактивации элемента 108
4.1.3. Конечно-элементное моделирование упругопластического разрушения цилиндрического образца при растяжении 109
4.2. Анализ напряженно-деформированного состояния сварного соединения трубопровода с учетом наличия микродефектов 113
4.2.1. Результаты численных исследований 116
4.2.2. Определение разрушающего давления для труб с дефектами на основе численного моделирования с учетом упругопластического характера разрушения 119
Выводы по главе IV 125
Общие выводы по работе 127
Список литературы 130
Приложение I
Приложение II
Приложение III
- Анализ прочностных особенностей сварных соединений
- Стендовые гидравлические испытания прочности кольцевых сварных швов с дефектами
- Компьютерное моделирование прочностных характеристик трубопроводных обвязок в соединениях с изменением диаметра труб
- Конечно-элементное моделирование упругопластического разрушения цилиндрического образца при растяжении
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное состояние объектов магистрального транспорта газа и нефти характеризуется неуклонным приближением их к предельному сроку эксплуатации. Замена всего выработавшего ресурс оборудования и трубопроводов на новое объективно неосуществима в ближайшей перспективе, т.к. этот процесс требует огромных финансовых и временных затрат.
Для обеспечения необходимого (регламентированного нормативами) уровня безопасности и надежности оборудования и трубопроводов газо- и нефтетранспортные компании выполняют большие объемы диагностических работ. Например, в ОАО «Газпром» внедрена система диагностического обслуживания оборудования и трубопроводов, охватившая все компрессорные станции (КС) компании.
Благодаря современному уровню диагностического обеспечения было выявлено и в настоящее время все еще выявляется множество дефектов, которые по своим параметрам не соответствуют техническим стандартам. При этом нередко особенностью таких дефектов является то, что они выявляются уже после длительной эксплуатации, что свидетельствует об отсутствии их критического влияния на фактическую несущую способность сооружений. Как правило, устранение дефектов в сварных соединениях требует значительных ремонтных работ, связанных с вырезкой и заменой участков трубопроводов, особенно на КС. Поэтому необходимо знать реальную прочность дефектосодержащих сварных соединений и ремонтировать только те из них, которые не могут обеспечить дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта.
С целью определения критериев фактической прочности дефектосодержащих сварных соединений выполняется множество научно-исследовательских работ ведущими центрами нефтяной и газовой промышленности (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ДОАО «Оргэнергогаз» и др.). Большое внимание уделяется экспериментальным работам по испытанию вырезанных дефектных участков трубопроводов, которые, как правило, показывают, что имеется определенный резерв несущей способности и возможность расширения существующего браковочного критерия дефектов. Однако данный вопрос до настоящего времени остается актуальным.
Ввиду отсутствия нормативных документов, учитывающих современное знание настоящей проблемы, часто применяется экспертный подход к определению допустимости дальнейшей эксплуатации объектов с дефектами. Такой подход означает, что эксперт в условиях отсутствия у него объективных данных о реальном уровне безопасности и надежности конструкции и, в большей степени исходя из своего опыта, принимает решение о необходимости ремонта или продолжении эксплуатации без реализации дополнительных превентивных мер. Естественно, что при таком подходе велика вероятность принятия ошибочного решения, т.к. его основой является субъективное мнение.
Цель работы. Целью настоящей работы является развитие методов оценки работоспособности кольцевых сварных швов (КСШ) газопроводов КС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Экспериментально изучить характер влияния поверхностных дефектов на механические характеристики образцов трубных сталей в зоне дефектов;
-
На основе комплексного анализа механических и энергетических свойств дефектосодержащих КСШ предложить критерии оценки трубопроводов по предельным состояниям;
-
В рамках упруго-пластической модели разработать и реализовать в среде программного комплекса “ANSYS” численную методику расчета сварных соединений газопроводов.
-
С помощью разработанной численной методики:
- проанализировать влияние макрогеометрии сварного соединения на прочность технологических трубопроводов.
- получить количественную оценку влияния пор, включений и других дефектов в объеме КСШ на работоспособность стыка трубопроводов.
- оценить влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) и работоспособность технологических трубопроводов соединений труб, выполненных с отклонением диаметра (загибом кромок).
Научная новизна. По результатом проведенных комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования:
Показано, что при принятии решения о работоспособность сварных соединений, ослабленных поверхностными дефектами, можно использовать предложенный в работе коэффициент относительной работоспособности
- ,
где и соответствующие пределы прочности и относительного удлинения при разрыве бездефектного и дефектного сварного соединения, соответственно.
Установлено, что трещиностойкость сварных швов можно оценить с помощью относительного коэффициента зарождения трещин - ,
где и критерии зарождения трещины для дефектных и бездефектных образцов.
Выявлено, что энергоемкость разрушения КСШ при изгибе оценивается параметром, равным произведению , где sр – разрушающее напряжение в зоне растяжения, - относительная стрела прогиба.
Защищаемые положения:
1. Численная методика анализа напряженного состояния и оценки влияния макрогеометрии сварных стуков трубопровода и локальных дефектов (пор, включений, трещин) в объеме КСШ на работоспособность стыка трубопроводов.
2. Новые экспериментальные и численные результаты, представленные в виде номограмм зависимостей предельного эксплуатационного давления от параметров локального дефекта (применительно к трубопроводам диаметром 530 мм, толщиной стенки 8 мм, изготовленных из стали 17Г1С.)
3. Обоснование по использованию в качестве показателя снижения энергоемкости сварных соединений, ослабленных локальными дефектами коэффициента относительной работоспособности .
Практическая значимость работы:
1. Предложен новый метод оценки работоспособности сварного соединения, содержащего локальные дефекты, не отвечающие требованиям НД, для труб любой номенклатуры, позволяющий существенно сократить затраты на устранение выявленных дефектов сварных соединений, не влияющих на снижение работоспособности технологических трубопроводов КС (акт внедрения об экономической эффективности НИР).
2. Экспериментальные и расчетные данные использованы при выполнении ряда хоздоговорных НИОКР и при разработке стандарта предприятия СТП 8828-170-04 «Сварные швы технологических трубопроводов компрессорных станций».
3. Результаты работы внедрены в учебный процесс по кафедре ПЭМГ в форме методической разработки по оценке влияния пор, включений и других дефектов в объеме КСШ на работоспособность стыка трубопроводов.
Работа выполнена на кафедре сопротивления материалов и деталей машин Ухтинского государственного технического университета совместно с ООО “Севергазпром” под руководством к.ф.- м.н., доцента Богданова Н.П., при тесном консультативном участии докт. техн. наук., профессора Гаврюшина С.С. и докт. техн. наук, профессора Андронова И.Н, которым автор выражает личную благодарность за большую научно-организационную помощь, оказанную в ходе выполнения диссертационной работы. Кроме того, за помощь в обсуждении и рассмотрении диссертационной работы автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой ПЭМГ канд. техн. наук Агиней Р.В..
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференции, посвященной 45-летию СеверНИПИгаза (2005г., Ухта), на IV международной школе-конференции “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений (MPFP)” (2007г., г. Тамбов); на XLVII Международной конференции “Актуальные проблемы прочности”, (2008г., г. Нижний Новгород), научно-технической конференции УГТУ (2006, 2007, 2008, 2009, Ухта); на расширенном заседании кафедры ПЭМГ и НТС УГТУ (2009).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы объемом в 141 страницы, а также трех приложений общим объемом в 25 страницы. В основном тексте диссертации приведены 95 рисунков и 18 таблиц. В приложении содержится 3 таблицы. По теме диссертации опубликовано 17 работ.
Анализ прочностных особенностей сварных соединений
Анализ разрушений магистральных трубопроводов [48,2] показывает высокий процент отказов по основному металлу труб вблизи зон продольных заводских сварных швов, а также по монтажным кольцевым стыкам. Объем дефектных сварных швов, согласно работе [13], может достигать 60%, что делает для газотранспортных предприятий практически невыполнимым вырезку такого количества элементов. Как показывает статистика разрушений, наибольшая частота отказов приходится на период испытаний и первые года эксплуатации. В это время выявляются наиболее крупные дефекты (монтажные, технологические). К пятому-седьмому году частота отказов стабилизируется [37, 38].
В [104] показано, что в рамках анализа статистических данных не удается в полной мере вскрыть причины отказов отдельных элементов трубопроводов. Ремонт сварных соединений в 70 % случаев сводится к исправлению пор при заварке мест удаленных дефектов в жестком контуре. В 5-10 % случаев участка ремонта образовались наиболее опасные дефекты, и росло число отказов по этой причине. В отдельных случаях необоснованные требования вырезки также по существу не способствовали снижению отказов. Таким образом, в решении важной народнохозяйственной задачи повышения безопасности и надежности трубопроводов, возникает проблема обращения к качеству элементов сварных соединений (СС). Для своевременной и правильной оценки работоспособности необходимо развитие как экспериментальных [13,9,18,8,3], так и расчетных методов оценки надежности и работоспособности сварных соединений [104,7,32,50,69,100].
При изготовлении труб и строительстве трубопроводов применяется сварка под флюсом, ручная электродуговая сварка, в среде защитных газов, порошковой проволокой, а также электроконтактная сварка [4,55,29].
В сварном соединении четыре основные зоны: металл шва (сварной шов), зона сплавления, зона термического влияния, основной металл. Различиє свойств металла шва определяется сортаментом применяемых сварочных материалов и режимов сварки. Состав различных участков металла шва вследствие протекания сварочных процессов различен [99] и, наряду с деформационным циклом при кристаллизации сварочной ванны, определяет механические свойства сварного шва. Вследствие этих процессов основной металл и металл сварного шва могут отличаться по механическим и физическим свойствам, а также по структуре. Зона термического влияния в процессе цикла сварки претерпевает различные структурные и фазовые превращения [81]. По своему строению зона термического влияния также неоднородна и состоит из нескольких участков. На участке, примыкающем к металлу шва, который нагревается до температуры плавления, начинается формирование кристаллов шва от частично оплавленных зерен основного металла, т.е. происходит собственно процесс сваривания. Далее на участке перегрева происходит аллотропические превращения с ростом первичных зерен и снижением пластичности и повышением твердости данного участка. Далее следуют участки полной и неполной перекристаллизации основного металла. Размеры зон термического влияния в зависимости от способа и режима сварки колеблются в широком пределе [33,70]. Количественно механическую неоднородность сварных соединений можно оценивать по результатам измерения твердости, учитывая корреляцию с прочностными свойствами. Практически для всех видов сварки твердость зоны термического влияния выше, чем у основного металла. Однако, многообразие структурных и фазовых превращений, сопровождающих термодеформационный цикл сварки, приводит к более сложным зависимостям механических свойств [88].
Основные требования, которым должны удовлетворять сварные соединения [2,84,96,97,98] - отсутствие внутренних дефектов, трещин, превышающих критическую длину, которая зависит от расчетных характеристик трубопровода (диаметр, толщина, рабочее давление) и вязкости материала; металл не должен являться очагом зарождения трещин, трещин типа расслоений и т.д., при наличии допускаемых действующими нормами концентраторов напряжений — непровары, поры, шлаковые включения — металл должен обладать соответствующими характеристиками вязкости. Режим и способ сварки подбирается из условия равнопрочности [103] металла сварного соединения и основного металла при механических испытаниях.
Форма и размеры швов установлены стандартами, правилами и нормами, техническими условиями [85,16,17,95].
К дефектам сварных соединений относят разного рода отклонения от установленных норм и технических требований, которые уменьшают прочность эксплуатационную надежность сварных соединений и могут привести к разрушению всей конструкции. Наиболее часто встречаются дефекты формы и размеров сварных швов; дефекты макро и микроструктуры; деформации и коробление сварных конструкций [106].
При сварке плавлением [62] наиболее частые дефекты формы и размеров сварных соединений неполномерностъ шва, его неравномерная ширина и высота, крупная чешуйчатостъ, бугристость, седловины.
Микроструктура шва и околошовной зоны в значительной мере определяет свойства сварных соединений и характеризует их качество. Дефекты микроструктуры сварного соединения - микропоры и микротрещины, нитридные, кислородные и другие неметаллические включения, крупнозернистость, участки перегрева и пережога.
На участке перегрева металл имеет крупнозернистое строение. Чем крупнее зерна, тем меньше поверхность их сцепления и выше хрупкость металла (перегретый металл плохо сопротивляется ударным нагрузкам).
Наиболее опасный дефект - пережог, при котором в структуре металла шва имеется много окисленных зерен с малым взаимным сцеплением. Такой металл хрупок и не поддается исправлению.
Газовые поры образуются в швах вследствие быстрого затвердевания газонасыщенного расплавленного металла, могут распределяться в сварном шве в виде отдельных включений или в виде цепочки пор. Газовые поры снижают плотность (а также сечение) и прочность швов, являются концентраторами напряжений. Концентрация напряжений для газовых пор зависит от относительного размера и, главным образом, от глубины залегания дефекта. Значение максимальной концентрации напряжений возрастает при уменьшении глубины залегания от поверхности металла [44]. Цепочка пор, выходящая на поверхность, при определении прочности сварного шва рассматривается как трещина.
Неметаллические включения в металле шва являются концентраторами напряжений, а также возможными источниками горячих трещин при сварке, термической обработке, приводят к усталостному разрушению [107]. Наиболее опасны остроугольные и продолговатые включения, расположенные по границам дендритов [24].
Шлаковые включения могут располагаться в корне шва, а также внутри наплавленного металла. Большие острые шлаковые включения вызывают местную концентрацию напряжений и снижают прочность и пластичность сварного соединения [35].
Нарушение формы и смещения кромок шва снижают прочность сварных соединений. В зоне утяжин создаются благоприятные условия возникновения трещин.
По действующей в газотранспортной отрасли НД допускается смещение кромок до 20% толщины стенки трубы и не может превышать 3 мм. Влияние смещения кромок сварных элементов, как один из наиболее часто встречающихся дефектов кольцевых соединений стыковых трубопроводов, на работоспособность сварных соединений рассматривается в [12, 6, 3, 13,72,74,75,76].
На технологических обвязках трубопроводов компрессорных станций (КС), особенно в местах стыковки крутоизогнутых отводов с трубами, фактическое смещение кромок сварных соединений зачастую превышает вышеуказанные допускаемые величины. Смещение кромок обследованных сварных соединений труба - отвод обусловлены расхождением размеров наружных диаметров сварных элементов. Максимальная зарегистрированная разница диаметров сварных соединений составила 11,1 мм. У всех сварных швов смещение кромок превышает значения допускаемые нормами. Наряду с этим, сам факт безаварийной работы в течении 30 лет является прямым подтверждением их надежности [13,14,15, 72-79].
Стендовые гидравлические испытания прочности кольцевых сварных швов с дефектами
Для оценки действительной несущей способности и эксплуатационной надежности дефектосодержащих сварных швов в 2002 г. был проведен комплекс экспериментальных исследований. Цель испытаний [13,76] заключалась в оценке фактической интегральной прочности кольцевых сварных швов, обладающих дефектностью, не допустимой действующей НД, и в исследовании поведения имеющихся дефектов при циклическом нагружении объекта. Для проведения гидравлических испытаний была смонтирована трубная плеть (рисунок) из фрагментов входного шлейфа цеха № 1 КС 10 Сосногорского ЛПУМГ. Каждый из использованных фрагментов имел кольцевой сварной шов, который был выбракован после 31 года эксплуатации по результатам проведенного штатного диагностического комплекса. Трубы были изготовлены из стали 17 ГС, имели наружный диаметр 1020 мм, фактическую толщину стенки — 13,8-7-14,1 мм, и рассчитаны на проектное давление 5,4 МПа. Основной металл имел необходимую прочность и высокую пластичность. Фактические механические характеристики, полученные в результате растяжения плоских полнотолщинных образцов, имели следующие значения: ств = 540 МПа; ст02 = 3304-+350 МПа; 55 = 22,4 -г 22,8 %.
Готовая плеть содержала пять кольцевых сварных швов, выполненных ручной электродуговой сваркой. При этом два сварных стыка (№№ 2 и 4, рисунок 2.20) до испытаний находились в эксплуатации 31 год, а сварные швы №№ 1; 3; 5 были выполнены в процессе монтажа трубной плети.
По результатам выполненного штатного диагностического комплекса, включающего визуально-измерительный, ультразвуковой и рентгенографический контроль, три сварных шва №№ 2; 4 и 5 не соответствовали требованиям действующих нормативных документов.
Процесс нагружения трубной плети состоял из трех этапов:
1. Опрессовка внутренним давлением 6,86 МПа (70 кг/см2).
2. Циклическое нагружение в режиме 0 -» 5,88 МПа (60 кг/см2) -» 0 (100 циклов).
3. Подъем давления до предельной величины, при которой разрушился объект испытаний.
На 20; 40; 70 и 100 циклах нагружения осуществляли контроль за де-фектосодержащими областями сварного шва № 4, имеющего наибольшее количество браковочных признаков.
Ультразвуковым методом исследовались параметры дефектов, классифицированные как «недопустимые». Акустико-эмиссионным методом, реализованном в четырехканальном приборе ИРТЗ-4К, исследовался участок сварного шва, включающий 30 внутренних дефектов, в том числе и два не допустимых по результатам просвечивания.
В результате проведенного циклического погружения трубной плети контролируемые участки сварного шва акустическую активность не проявили, а параметры дефектов не изменились, т.е. развитие размеров дефектов не произошло. После осуществления 100 циклов нагружения трубной плети внутренним давлением от 0 до 5,88 МПа (60 кг/см2) был выполнен подъем давления до предельной величины. Разрушение трубной плети произошло при давлении 14,7 МПа (150 кг/см2). Линия разрыва располагалась на двух сваренных элементах (трубы №№ 1 и 2) и пересекла кольцевой сварной шов № 2. Металлографические исследования сварного шва на линии разрушения показали, что он имеет хорошее проплавление, смещение кромок и внутренние дефекты отсутствуют. Внутренний шов подварки имеет метастабильную закалочную структуру — сорбит с твердостью до 249 НВ. Образование такой структуры возможно вследствие перегрева металла при большой силе сварочного тока.
Реальный показатель запаса прочности, полученный в результате гидравлических испытаний определяли по формуле.
Фактический запас прочности трубной плети оказался выше нормативного на 5,8 %, т.е. испытанные дефектные сварные швы обладали необходимой эксплуатационной надежностью. Кольцевые напряжения в бездефектных элементах трубной плети при ее разрушении не достигли (на 3,6 %) фактического предела прочности, что свидетельствует о локальном росте напряжений в очаге разрушения.
Таким образом, результаты проведенных испытаний показали:
1. Наличие резервов несущей способности дефектных сварных стыков и возможность расширения существующего браковочного уровня дефектов, исходя из прочностного обоснования их степени опасности и конкретных условий эксплуатации.
2. Становится возможным уменьшить объемы ремонтных работ и сократить материальные и трудовые затраты эксплуатирующей организации, не снижая требуемой надежности объекта.
Компьютерное моделирование прочностных характеристик трубопроводных обвязок в соединениях с изменением диаметра труб
Иногда при производстве монтажных (или ремонтных работ) приходится сваривать трубы, фактический диаметр которых может отличаться, при чем разница диаметров сопоставима с толщиной стенки. Для подгонки кромок таких труб выполняли их подгонку обычно подмятием, возможно с предварительным нагревом (Рис. 3.31.). В любом случае в месте стыковки возникает концентрация напряжений. При этом напряжения достигают значительных значений и могут привести к возникновению пластических деформаций, ослабляя сварные соединения, и, как следствие, негативным образом сказывается на прочности и долговечности трубопровода.
В данном разделе теоретически исследовано влияние локальной не-цилиндричности трубного элемента на его напряженно-деформированное состояние при нагружении его внутренним избыточным давлением.
При создании модели использовались следующие положения и допущения. В силу симметрии конструкции было решено ограничиться рассмотрением половины элемента (см. рис. 3.32). При моделировании использовался обол очечный конечный элемент SHELL63 [31]. Модель обеспечивала плавное сопряжение двух цилиндрических участков постоянной толщины.
В качестве граничных условий на торцах (см. рис. 3.33) использовались ограничения на перемещение узлов в окружном и осевом направлениях, а также условия симметрии по плоскости симметрии. Трубный элемент нагружался избыточным внутренним давлением заданной интенсивности (см. рис.3.34). Для описания свойств материала использовалась нелинейная модель упругопластического материала с изотропным упрочнением [56].
Основные физико-механические характеристики приведены в таблице 4.2.
Были просчитаны и проанализированы 20 вариантов расчета разделенные на три группы в зависимости от геометрических размеров соединения. Для анализа НДС использовались результаты расчета представленные в форме цветографических диаграмм (Рис. 3.35-3.37).
В качестве анализируемых параметров использовались максимальные значения эквивалентных напряжений и эквивалентных напряжений, посчитанные по теории Мизеса [7,30]. Для оценки влияния локальной нецилинд-ричности трубного элемента анализировались значения эквивалентного напряжения и эквивалентной деформации. Для наглядности цветографические диаграммы эквивалентных напряжений представлены в одном масштабе.
В качестве контрольных величин использовались значения предела текучести материала (350 МПа) и деформации начала текучести (0.002). Превышение напряжениями на диаграмме значения предела текучести свидетельствуют о возникновении в трубном элементе пластических деформаций.
Значение максимального напряжения (максимальной деформации) представлено в верхнем левом углу диаграммы и обозначено как «SMX». В результаты расчета разделены на 3 группы и представлены как в табличном, так и графическом виде. Во всех группах варьируемым параметром является наружный диаметр цилиндрического участка №2, размер которого больше, чем диаметр цилиндрического участка №1.
С увеличением диаметра второго участка эффект нецилиндричности на переходном участке сказывается сильнее, что приводит к значительному увеличению максимальных напряжений в опасной зоне по сравнению с номинальным уровнем.
Максимальные напряжения возникают на внутренней стороне меридионального сечения оболочки, для которого изменение диаметрального размера соответствует максимальному значению (см. Рис. 3.36-3.37). В этой же зоне при значениях давлений превышающих предельное давление могут возникать пластические деформации.
Зависимости максимального эквивалентного напряжения от диаметра участка №2 для различных вариантов расчета приведены на рис. 3.38-3.41. Максимальные эквивалентные (напряжения) деформации и соответствие цветографической диаграмме распределения эквивалентных (напряжений) деформаций (по Мизесу) в опасной зоне трубного элемента представлены в таблицах 4.3-4.6.
Конечно-элементное моделирование упругопластического разрушения цилиндрического образца при растяжении
Отработка методики численного моделирования процесса упруго-пластического деформирования и разрушения проводилась на примере тестовой задачи - растяжения образца из малоуглеродистой стали. Для испытаний на растяжение используются стандартные цилиндрические образцы (рис. 4.7.)
При этом механические свойства материала соответствовали исходной действительной диаграмме деформирования материала. По результатам расчета строилась расчетная условная диаграмма растяжения образца, которая пересчитывалась в действительную. Полученная численно расчетная действительная диаграмма деформирования сопоставлялась с исходной действительнои диаграммой деформирования. По степени соответствия исходной и расчетной диаграмм формировалось суждение о точности предложенной модели. В качестве исследуемого объекта использовался цилиндрический образец стандартных размеров (Рис. 4.7.). С целью исследования процесса образования шейки моделировалось местное утонение образца. В качестве материала образца рассматривалась хорошо изученная малоуглеродистая сталь Ст.ЗО. Механические свойства материала приведены в Таблице 4.1.
Действительная диаграмма деформирования, заданная графически и таблично приведена на рисунке 4.8. еоо ЯЛЮи.
С учетом симметрии рассматривалась 1/8 часть образца, полученная сечением 3-мя взаимно перпендикулярными плоскостями - двумя, проходящими через ось симметрии и третьей, проходящей через поперечную плоскость симметрии образца (Рис. 4.9).
В зоне предполагаемого образования шейки использовалась более мелкая сетка конечных элементов. В качестве граничных условий использовались условия симметрии по трем плоскостям симметрии. Перемещение узлов на торце образца (х = 25 мм) задавалось кинематическим образом.
Расчет разбивался на два этапа.
На первом этапе моделировалось пошаговое кинематическое нагруже-ние образца, соответствующее реальному растяжению в захватах испытательной машины. Этап заканчивался по достижению напряжением хотя бы в одном элементе значения, равного пределу прочности при разрушении.
На втором этапе численно с более мелкими шагами моделировался процесс растяжения образца после момента достижения максимальным напряжением значения предела прочности при разрушении.
По шагам снимались значения реакции вдоль оси х в узлах, принадлежащих торцу образца, подсчитывалось радиальное смещение узлов в области утонения. Далее производилась обработка данных с целью построения истинной диаграммы растяжения материала.
Истинная диаграмма деформирования, полученная численно, представлена на рис. 4.10 - кривая 2. Сопоставление исходной диаграммы и расчетной диаграммы показывает их соответствие с погрешностью в характерных точках не превышающих 12%.
На рисунках 4.11-4.12 представлены изолинии распределения максимальных напряжений и полных деформаций на момент окончания первого этапа, т.е. при достижении максимальным напряжением в одном из элементов предельного значения 530 МПа, соответствующему пределу прочности при разрушении.
На втором этапе был промоделирован процесс растяжения образца после момента достижения максимальным напряжением значения предела прочности при разрушении для данного материала. Нагружение проводилось кинематически, но с более мелкими шагами.
С помощью опции «деактивации элементов» численно моделировался процесс разрушения образца в месте образования шейки. По окончанию каждого из шагов нагружения проводилась отбраковка элементов, максимальное напряжение в которых превышало предел прочности материала. Отбракованные элементы исключались из дальнейшего расчета. В качестве критерия «деактивации» элемента принято произведение [ тв S ].
На рисунке 4.13 представлены результаты расчета для нагружения при взаимном перемещении торцов, равном 1,48 мм. Приведены изолинии максимальных напряжений - а, а также показаны отбракованные «деактивированные» - б и оставшиеся «рабочие» элементы - в.
Несоответствие с табличным значением объясняется недостаточно мелким конечно-элементным разбиением (мощностью компьютера) и не совсем оправданным критерием для отбраковки конечных элементов (эти факты учтены при дальнейшей разработке действующей модели).
В целом результаты конечно-элементного моделирования процесса разрушения на тестовой задаче можно признать удовлетворительными и рекомендовать для моделирования процесса разрушения элементов трубопроводов, ослабленных локальными дефектами.
Далее рассмотрены результаты вычислений разрушения труб, ослабленных трещинами в соответствии с разными методиками.
