Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ причин разрушений и методы оценки усталостного ресурса сварных соединений в условиях низких температур эксплуатации II
1.1. Разрушение металлических коне трущий в условиях низких температур ,11
1.2. Анализ современных методов и норм расчета несущей способности и долговечности ме таллических кон с трущий, эксплуатируемых при отрицательной температуре 17
1.3. Влияние низких температур на циклическую и статическую трещиностопкость материала 27
1.4. Анализ аналитических и эмпирических ме тодов определения ЕЖ вдоль фронта поверх ностных трещин S5
1.5. Постановка цели и задач исследования 46
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 48
2.1. Материалы и конструктивные элементы, подлежащие исследованию 48
2.2. Методика охлаждения образцов 53
2.3. Диаграммы деформирования основных зон сварного соединения сталей при однократном и повторном нагружеыиях 56
2.4. Методика определеніш напряжений и деформаций в зонах концентрации напряжений 65
2.5. Методика определения циклической и ста тической трещиностойкости основных зон сварного соединения 69
2.6. Особенности тензометрироваыия конструкции при низких температурах 74
2.7. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований 75
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 81
3.1. Кинетика напряткенно-деформированного состояния узлов и фрагментов сварных соеди нений при однократном и циклическом нагруяении 81
3.2. Влияние низких температур испытания на скорость роста усталостных трещин в основных зонах сварного соединения 107
3.3. Изменение сопротивления страгиваншо трещины в основных зонах- сварного соединения при понижении температуры испытания 118
3.4. Экспериментальная методика определения
КЙН для поверхностных трещин 131
Глава 4. Расчетно-экспериментальная методика определения циклической долговечности элементов металлических конструкций на стадии роста усталостных трещин 150
4.1. Оценка усталостного ресурса элемен тов металлических конструкций с учетом развития усталостных трещин в расчет ных сечениях в условиях низких эксплуа тационных температур 150
4.2. Пример расчета усталостного ресурса узла сопряжения обечайки шарового газгольдера с опорной стойкой на стации роста трещины в условиях низких эксплуатационных температур .157
Общие выводы 167
Список используемых источников
- Разрушение металлических коне трущий в условиях низких температур
- Материалы и конструктивные элементы, подлежащие исследованию
- Кинетика напряткенно-деформированного состояния узлов и фрагментов сварных соеди нений при однократном и циклическом нагруяении
- Оценка усталостного ресурса элемен тов металлических конструкций с учетом развития усталостных трещин в расчет ных сечениях в условиях низких эксплуа тационных температур
Введение к работе
В решениях, принятых XXYI съездом КПСС /I/, и "Осноиых направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" большое внимание уделено вопросам создания и внедрения новой техники, оборудования и материалов, дальнейшему совершенствованию методов расчета металлоконструкций на основе изучения их действительной работы и использования новых критериев и методов оценки их работоспособности.
В связи с реализацией широкой программы добычи, транспортировки и хранения нефти и газа в районах Севера, интенсивным ростом объемов производства в Сибири, на Северо-Востоке страны, а также с развитием криогенной техники, большое значение придается проектированию и расчету конструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур. К числу таких конструкций относятся газгольдеры, магистральные трубопроводы, химические аппараты, изотермические резервуары для хранения сжиженных газов, плавучие и стационарные платформы для бурения скважин на дне северных морей.
Перечисленные конструкции работают в условиях низких температур и помимо статических испытывают циклические нагрузки (пульсацию ветрового напора, волнение моря, периодическое опорожнение и наполнение резервуаров, изменение давления в газгольдерах). Тем не менее, в основных нормативных документах, используемых в настоящее время на стадии проектирования /2у 10/, предусматривается расчет таких конструкций на действие статических нагрузок и производится лишь поверочный расчет на при числе циклов нагружения 5x10 и более. При этом расчет на выносливость выполняется по номинальным напряжениям, а учет концентрации напряжений осуществляется косвенно для некоторых видов сварных соединений /2/. Поэтому разработка методики расчета, отражающей фактические условия работы указанных конструкций в упругопластической стадии деформирования, является важной инженерной задачей.
Максимальное использование резервов несущей способности конструкций и одновременное снижение их метаялоемкости прішодит к тому, что, как известно, в наиболее нагруженных зонах возникают местные упругопластические деформации. Поскольку в зонах концентрации напряжений пластичесіше деформации развиваются при относительно низких номинальных напряжениях, то циклическое пластическое деформирование приводит к возникновению в этих зонах усталостных трещин., при сравнительно небольшом числе циклов нагрукения (10"" - 10 ).
Это подтверждают результаты обследования конструкций, испытывающих циклическое нагружение. Так, напрішер, выявлено, что в начальным период эксплуатации и во время испытаний разрушается только 34$ конструкций от общего числа зарегистрированных разрушений /56,, 65/. При последующей эксплуатации в течение трех лет разрушения отсутствуют, а затем число разрушений начинает увеличиваться с 4 до 10% в год. Такой характер распределения разрушений конструкций под воздействием повторных нагрузок СВЯЗБН с периодом подрастания дефектов до критического размера. Подобную картину дают и результаты обследования 144 сферических резервуаров, использованных для хранения сжиженных газов. Обследования были выполнены в Японии /ISO/ в течение 10 лет (1959-1969 гг.) и показали хронологию относительного роста числа сосудов, в которых были обнаружены трещины.
Исследования в области испытания конструкций показали, что наличие дефектов ( острых подрезов, металлических включений, газовых пузырей и т.п.)не приводит к потери несущей способности конструкции или ее элементов. Так время работы элементов конструкции после выявления повреждений может составлять 75-90% от общей их долговечности / 36,49,63/ в зависимости от уровня и градиента напряжений в рассматриваемой части сечения, причем эта доля возрастает с увеличением концентрации напряжений. Следовательно, при оценке ресурса конструкций, подверженных малоцикловому нагруженшо, необходимо учитывать вероятность наличия в них дефектов. Однако, в СНиПе /2/ не; учитывается начальная дефектность конструкции и рост трещин под действием циклических нагрузок до критического состояния элементов конструкций.
Для обоснования прочности и ресурса конструкции с учетом эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов, как известно, помимо характера нагружения необходимо располагать данными, включающими:
- фактическое распределение деформаций и напряжений в зонах максимальной концентрации;
- кинетику размеров и формы трещины в процессе ее циклического развития;
- значение КЙЇЇ для трещины, расположенной в зоне влияния конструктивного концентратора напряжений;
- характеристики статической и циклической трещиностойкости основных зон сварного соединения при заданной температуре эксплуатации.
Необходимо отметить, что получение и использование в расчетах ресурса металлоконструкций всего комплекса перечисленных данных вызывает в настоящее время трудности. Так, для реальных сварных соединений сложной формы поцшсловый анализ напряженного состояния в зоне концентрации и анализ кинетики роста несквозной трещины представляет большие трудности вычислительного характера далее при существенных упрощающих допущениях. Таких как, сведение задачи к "плоской" и замена поверхностной трещины краевой сквозной. Поэтому представляется целесообразным экспериментальным путем установить закономерности деформирования основных конструктивных элементов сварных листовых конструкций и определить параметры развития несквозных дефектов. По зксперішентальньм данным для конкретных конструктивных форм могут быть вычислены коэффициенты концентрации максшлаль -ных деформаций и напряжений и проведена оценка допустимости тех или иных решений, применяемых в расчете.
Настоящая работа посвящена разработке метода оценки усталостной долговечности элементов металлических конструкций, эксплуатируемых при низких температурах, с учетом развития усталостных несквозных дефектов в расчетных сечениях.
С использованием модифицированной методики охлаждения фрагментов соединений и поддержания в течение длительного периода заданной температуры в процессе циклических испытаний, а также методики исследования напряженно-деформированного состояния в области концентраторов напряжений и вблизи вершины трещины с помощью малобазной тензометрии были получены следующие результаты:
- исследована кинетика напряженно-деформированного состояния фрагментов сварных соединений листовых конструкций при положительной и отрицательной температурах;
- установлены закономерности изменения в процессе циклического нагружения формы и размеров поверхностной трещины, расположенной в зоне влияния конструктивного концентратора
-напряжений (сварное фланцевое соединение);
- определены фактические значения ХИН для поверхностной трещины, расположенной в зоне влияния конструктивных концентраторов напряжений;
- получены характеристики статической и циклической третино с тонко с ти основных зон сварного соедшюния в широком диапазоне эксплуатационных температур.
Перечисленные данные с экспериментальных исследований позволили разработать методику опенки долговечности элементов сварных соединений металлоконструкций, эксплуатируемых при отрицательных температурах, на стадии распространения усталостных поверхностных трещин.
Предложенная методика проверена на крупноразмерных фрагментах сварных соединений листовых конструкций в узлах ферм из гнутосварного профиля. Приведены примеры расчета долговечности элементов металлических конструкций, эксплуатируемых при низких температурах.
Научную новизну работы составляют:
- результаты экспериментальных исследований циклической и статической трещиностойкости основных зон сварного соединения ( основной металл, металл сварного шва, металл околошовной зоны) в зависимости от температуры испытаний;
- результаты экспериментальных исследований кинетики формы и размеров поверхностной трещины в процессе ее роста в зоне влияния конструктивной концентрации напряжений при отрицательной температуре;
- методика оценки долговечности элементов металлических конструкций на стадии роста устатастной трещины, эксплуатируемых при отрицательных температурах.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
1. Комплексная методика малоцикловых низкотемпературных испытаний, позволяющая исследовать фактическое деформированное состояние в зонах концентрации напряжений и в окрестности вершины поверхностной трещины при однократном и циклическом наг-ружении.
2. Результаты экспериментальных исследований циклической
и статической трещиностойкости основных зон сварного соединения (основной металл, металл сварного шва, металл около шовной зоны), полученные в условиях низких температур испытания и исследование кинетики формы поверхностной трещины, расположенной в зоне влияния конструктивной концентрации напряжений (сварное фланцевое соединение) .
3. Расчетно-экспериментальная методика определения долго вечности элементов металлических конструкций, эксплуатируемых при отрицательных температурах, на стадии распространения усталостной трещины.
Разрушение металлических коне трущий в условиях низких температур
Значительная часть металлических конструкций возводится и эксплуатируется при низких климатических и технологических температурах. К таким конструкциям можно отнести магистральные трубопроводы, газгольдеры, сосуды давления, эксплуатируемые в районах Восточной Сибири и Севера, изотермические резервуары, предназначенные для хранения газов в сжиженном состоянии при низких температурах, а также плавучие и стационарные платформы для бурения скважин в северных морях.
Так, среднегодовая температура воздуха в районе полярного надземного газопровода Соляное-Норильск и обслуживающих его газгольдерных станций равняется 263К С-Юс)/4,104/. При этом отрицательная среднемесячная температура наблюдается в течение 8 месяцев (абсолютно минимальная температура 2І6К), низкая температура воздуха сочетается с сильным ветром (40-45 м/сек)и технологическими особенностями, связанными с охлаждением газа для его дальнейшей транспортировки в магистральных газопроводах под давлением 12-17 МПа. Низкотемпературные условия работы листовых металлоконструщий характерны для районов Заполярья и Восточной Сибири, что отмечалось в ряде работ /21,33,64,104,105/.
Анализ отказов конструкций показывает, что большинство их приходится на три зимних месяца и первые месяцы весны. На рис. І.І показана гистограмма отказов магистральных газопроводов по ме - 12 -сяцам /104/. Видно, что пик числа аварий приходится на январь-февраль, которые характеризуются наиболее низкой температурой и сальными ветрами. Именно в феврале вблизи Нью-Йорка хрупко разрушился сварной сферический резервуар для хранения водорода /31/. Перед аварией температура окружающего воздуха была 26IK 1-12С). За 35 лет (с 1918 по 1953 гг.) на нефтеперерабатывающее заводах США разрушилось 32 резервуара преимущественно в зимний период при отрицательной температуре. Трещины возникали либо в металле околошовной зоны сварных соединений вблизи мест пересечения сварных швов, либо в стыковых швах, млеющих непровары и другие дефекты сварки. В 1968 году в США хрупко разрушился резервуар объемом 27 800 м3 для хранения сниженного природного газа (температура ІІОК), в результате имелись человеческие жертвы и был нанесен значительный материальный ущерб /134/.
Исследование эксплуатационных режимов нагружения металлоконструкций показало, что в процессе эксплуатации помимо статических нагрузок конструкции испытывают и циклические воздействия. Принтером реальной нагруженности может служить запись на одной из действующих станций изменения давления в газгольдере /28/ в зависимости от режима работы аэродинамической трубы. Ха -рактер изменения давления показан на рис. 1.2. Циклический режим нагружения характерен также для магистральных трубопроводов /102/, подкрановых балок /44,80/ и других конструкций. В элементах таких конструкций в зонах концентрации напряжений (патрубки, ребра жесткости, места примыкания опор) и технологических дефектов(. непровары, подрезы, газовые пузыри и пр.) при расчетных номинальных напряжениях возникают упругопластичеекие деформации, которые могут привести к образованию усталостных трещин в указанных зонах при ограниченном числе циклов нагружения (10 " - 10 ). Снижение температуры эксплуатации уменьшает пластичность стали и предельно допустивше размеры дефектов, способствуя условиям хрупкого разрушения конструкций.
Именно сочетание повторного статического нагружения конструкции и отрицательной температуры эксплуатации стало причиной значительного числа разрушений металлоконструкций. В. послевоенные годы в СССР в течение одной зимы разрушилась батарея из пяти резервуаров для хранения нейти. Резервуары разрушились после 4-6 лет эксплуатации. Очагами разрушения служили непро-вары сварных швов, от которых зарождались усталостные трещины. В 1970 году в Ангарске после 15 лет эксплуатации разрушился от усталости и резкого понижения температуры мокрый газгольдер. Разрушение началось от усталостной трещины, зародившейся в месте приварки патрубка к обечайке.
Материалы и конструктивные элементы, подлежащие исследованию
Для прогнозирования долговечности и эксплуатационной надежности элементов конструкций, работающих в условиях низких температур, кроме характера нагруженноети конструкции и кинетики напряженно-деформированного состояния в зоне концентрации необходимо располагать характеристиками циклической и статической трещи-ностойкости материала конструкции. Для получения указанных характеристик необходимо проведение значительного числа модельных и натурных испытаний. Однако, трудоемкость и высокая стошюсть проведения исследований на натурных объектах обусловливают необходимость проведения испытаний на образцах и фрагментах узлов конструкций.
Для изучения влияния низких (отрицательных) температур на скорость роста усталостных трещин в элементах конструкций и на возможность их квазихрупкого разрушения испытывались плоские образцы с односторонним боковым надрезом, нагружаемые внецентрен-цым циклическим растяжением. Раскрой образцов осуществлялся таким образом, чтобы трещиностойкость материала определялась поперек проката. Ввиду различий механических свойств основных зон сварного соединения были изготовлены три серии образцов: в образцах серии А исходный надрез и трещина выполнены в основном металле (ОМ), в серии Б-в металле сварного шва(МШ) и в образцах серии В - трещина расположена в металле околошовной зоны (ОШЗ)
Схема и размеры образцов приведены на рис. 2.1а.
Поскольку зарождение усталостных трещин обычно происходит в местах конструктивных и технологических концентраторов напряжений, то возникла необходимость изучить закономерности работы материала при неоднородном напряженно-деформированном состоянии в упругопластической области при однократном и циклическом наг-ружениях. С этой целью были выбраны наиболее характерные фрагменты узлов сварных листовых конструкций с различными коэффициентами концентрации напряжений, а именно: сварное стыковое соединение, сварное фланцевое соединение и соединение с приваренным поперечным ребром. Геометрические парамтры перечисленных фрагментов сварных соединений приведены на рис. 2.16.
Исследованные стали При выборе материалов для исследования учитывалась возможность использования той или иной марки стали для изготовления конструкций, работающих в условиях низких температур. Были исследованы две контрастные по механическим характеристикам стали мар ки 09Г2С и 0Н6. Низколегированная сталь 09Г2С широко используется в настоящее время для изготовления конструкций, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур; никелевая сталь 0Н6 выбрала как наиболее перспективная и экономичная для изготовления изотермических резервуаров и трубопроводов, предназна— ченных для хранения и транспортировки сжиженных газов при температуре 200 - ІІ0К /59, 95/. Механические характеристики сталей в зависимости от температуры испытания приведены в таблице 2.1 и на рис.2.2 и 2.3,химический состав - в таблице 2.2.Толщина проката стали марки 09Г2С - 20 мм,марки 0Н6 - 16 мм.Толщина образцов принималась в соответствии с исследуемой толщиной проката. Сварка стали 09Г2С велась электродами УОНИ 13/55,стали 0Н6 -электродами 03Л-25Б.Сварка проводилась вручную в три прохода.
Натурная конструкция В качестве реальных конструкций,на примере работы которых выполнялась проверка закономерностей,установленных в работе на Q образцах,были испытаны шаровой газгольдер объемом 2000 м и натурные узлы ферм,изготовленные из гнуто-сварного профиля.
Газгольдер,изготовленный из стали 09Г2С,представляет собой шар диаметром %) =16000 мм с толщиной обечайки =36 мм, с шестью патрубками диаметром от с/=200 мм до с/=700 мм.Газгольдер.через опорные накладки опирается на 12 стоек.На рис.2.4 показан общий вид шарового газгольдера.
Поскольку зоны сопряжения обечайки шарового газгольдера с опорой и патрубком являются наиболее характерной областью концентрации напряжений,именно в этой зоне,как правило,происходит зарождение и развитие усталостных трещин.
Натурные узлы сопряжения пояса фермы из гнуто-сварного профиля с двумя раскосами выполнялись из стали 09Г2С.Сечение пояса фермы - 140x140x5 мм,сечение раскосов - 120x120x4 мл.Общий вид узла приведен на рис.2.5.
Кинетика напряткенно-деформированного состояния узлов и фрагментов сварных соеди нений при однократном и циклическом нагруяении
Анализ распределения локализованных упругопластических деформаций в зонах концентрации напряжений натурных металлоконструкций вален при оценки их малоцикловой прочности как на стадии зарождения, так и на стадии распространения усталостных: трещин. Это объясняется тем, что исследование кинетики напряженно-деформированного состояния при однократном и повторно-статическом нагружении, проводимые в области конструктивных концентраторов напряжений, где относительно велика вероятность зарождения и распространения усталостной трещины, позволяют определить степень концентрации и фактические значения размахов напряжений и деформаций, лимитирующих ресурс конструкций. Для определения условий распространения усталостной трещины исследовалось напряженно-деформированное состояние зоны примыкания накладки опорной стойки к обечайке газгольдера объемом 2000м3 (Рис 2.4.), выполненного из стали марки 09Г2С и подверженного опресовке давлением 2,0 МПа(бн= 0,456 и 1000 цикловой эксплуатации при давлении 1,2 ЫПа(бн= 0,30 бт) . Иагружение газгольдера осуществлялось с помощью гидравлической установки ступенями до уровня, соответствующего заданному относительному значению мембранных кольцевых напряжений6 / 3Т =6 = 0,15; 0,30; 0,45. По резуль татам тензометрирования в исследуемых зонах концентрации напряжений были построены эпюры размахов кольцевых (АЕ.Ли меридианаль-ных(д о) деформаций, и эпюры размахов интенсивности деформаций (д() при различных уровнях мембранных напряжений (рис. 3.1;
Анализ эпюр размахов деформация в зоне сопряжения накладки опорной стойки с обечайкой позволил установить ряд закономерностей: - так, характер распределения компанеытов размахов деформаций не зависит от уровня мембранных напряжений и остается неизменным и в упругой и в упругопластической стадии деформирования; - по мере удаления от зоны сопряжения накладки опорной стойки с обечайкой значения размахов деформаций уменьшаются и на расстоянии 12 - 15 толщин обечайки от зоны максимальной концентрации значения деформаций приближаются к мембранным.
При увеличении внутреннего давления значения максимальных размахов деформаций возрастают и при относительном номинальном напряжении Є0 =0,45 в зоне сопряжения опоры с обечайкой они равны Ір=ї,аЗ; =0,45; с=1,39.
Сравнение деформированного состояния газгольдера после 1000 и 2000 циклов нагружения показали, что размах деформаций в зоне концентрации напряжений остается практически неизменным и можно считать, что материал в этой зоне конструкции нагружается по жесткой схеме ( с постоянным размахом деформаций).
В результате расчета постровны эпюры размахов стабилизировавшихся радиальных (&8р)п кольцевых (А 6 напряжений при различных уровнях деформирования для зоны сопряжения опорной стойки с обечайкой газгольдера (рис. 3.4; 3.5). Характер эпюр размахов напряжений показывает, что максшлальные значения компанентов нал ряжений на всех уровнях деформирования достигаются в той же локализованной зоне, что и максимальные значения деформаций.
При нагрузке 6Єц 0,45 в зоне сопряжения опорной стойки с обечайкой максимальные значения радиальных напряжений ( р) превышают уровень предела текучести (в = 1,19). При этом в процессе нагружения газгольдера незначительно изменяются соотношения кошанентов G/. что показано на рис. 3.6. На расстоянии 12-15 толщин обечайки от концентратора напряжения равны мембранным,
С помощью малобазных тензорезисторов ( база 2 мм) в процессе нагружения шарового газгольдера был определен коэффициент концентрации напряжений в упругой области деформирования - для сопряжения стойки опоры газгольдера с обечайкой через накладку ol =3,1.
Помимо исследования зоны примыкания опорной стойки к обечайки шарового газгольдера определялось напряженно-деформированное состояние узла сопряжения раскосов с поясом фермы из гнуто-сварного профиля (ГСП) . Схема узла показана на рис. 2.5. Коэффициент концентрации напряжений в упругой области деформирования для узла сопряжения раскосов с поясом фермы из ГСП равняется dL = 3.2 . На рис. 3.7 показана кинетика напряженно-деформированного состояния в процессе циклического упругопластического нагружения в сечении 1-І (выбор сечения определяется по максимальному значению (А6узла фермы) . Для сравнения на том же рисунке приведено распределение интенсивности деформаций и напряжений при различных уровнях нагружения ( 0.25 бт; 0,4бт; 0.76) в зоне с относительно однородным полем напряжении (сечение 2-2) . Следует отметить неравномерность распределения эпюры деформаций по сечению ГСП „ Наибольший градиент деформаций возникает в зоне гиба профиля, а минимальное значение деформаций - посредине полки профиля.
Оценка усталостного ресурса элемен тов металлических конструкций с учетом развития усталостных трещин в расчет ных сечениях в условиях низких эксплуа тационных температур
При реализации расчета циклической долговечности элементов сварных конструкций при отсутствии в них исходных трепдшоподоб-ных дефектов и сравнительно однородном напряженном состоянии прішято /63,86/ раздельное рассмотрение 2-х стадий процесса малоциклового разрушения: // = л/о + л о (4.і) где л/ - общее число циклов до разрушения конструкции; Л/о - число циклов до образования трещины; д/р - период роста трещины до критических размеров. На стадии проектирования для определения числа циклов до образования усталостной трещины необходимо /85,86/: - определение стабилизированного напряженно-деформированного состояния в расчетных сечениях конструкций при эксплуатационных условиях нагружения; - определение характеристик циклического деформирования и разрушения конструкционных материалов с учетом условий эксплуатации.
Число циклов до образования трещины при заданных условиях нагружения, температуре эксплуатации, уровне номинальных напряжений, значениях коэффициентов концентрации напряжений, механических свойствах сталей и сварных соединений определяют с по мощью следующих выражений: для условии жесткого нагружения; для условии мягкого нагружения; Ь где t - модуль упругости материала в зависимости от температуры испытания; vy - относительное сужение поперечного сечения при разрушении стандартного цилиндрического образца в зависимости от температуры испытания; 6.- предел прочности материала в зависимости от температуры испытания; 0 - предел выносливости гладкого образца при симметричном цикле растяжения - сжатия взависнмости от температуры испытания; - коэффициент асимметрии цикла по деформации; І?, - коэффициент асимметрии цикла по напряжениям; о( - коэффициент концентрации напряжении в упругой области деформирования; fv - параметр обобщенной диаграммы циклического деформирования. Сопоставление результатов расчета по выражениям (4.2 и 4.3) с многочисленными экспериментальными данными, полученными на натурных конструкциях, их моделях, фрагментах соединений и лабораторных образцах приведены в работах /41,86,106/.
Однако, практика эксплуатации металлических конструкций показывает, что в области конструктивных и технологических кон центраторов напряжений имеет место значительный градиент дефор-маций; при этом размах пластических деформаций в процессе повторного нагружения конструкций столь велик, что вызывает появление макротрещин на ранней стадии эксплуатации (до 10-25$ от общего ресурса конструкции). Кроме того результаты обследования металлоконструкций свидетельствуют о том, что в конструкции, как правило, имеются трещиноподобные дефекты (непровары, подрезы, неметаллические включения, газовые пузыри и т.д.). Поэтому при наличии в металлоконструкции значительной концентрации напряжений оценку ресурса целесообразно проводить на стадии распространения трещины, принимая в запас долговечности стадию зарождения макротрещины.
Методика оценки циклической долговечности элементов сварных металлических конструкций на стадии роста усталостной трещины в условиях низких эксплуатационных температур разработана недостаточно полно. Это объясняется тем, что для реализации расчета на стадии роста усталостной трещины в условиях низкотемпературного нагружения помимо знаний основных геометрических параметров конструкции и ее нагруженноети необходимо располагать целым рядом экспериментальных результатов, соответствующих предполагаемым условиям эксплуатации. Необходимо иметь данные по механическим характеристикам материала при заданных температурах 6т,в &и -I- t Ф и т.п. Ванное значение имеет учет распределения и кине тики напряженно-деформированного состояния в зонах конструктивной концентрации напряжений элементов конструкций. Кроме того необходимо располагать значениями циклической и статической тре-щпностойкостн основных зон сварного соединения при заданной температуре эксплуатации. Так. как одним из основных параметров, характеризующих докритический рост трещины, наряду с цикличес кой трещиностопкостыо материала, является коэффициент интенсивности напряжений (КШ), а зарождение макротрещин обычно происходит в зоне влияния конструктивных концентраторов напряжений, то при определении значений ЇСИЇЇ для трещины, расположенной в зоне концентрации напряжений необходим учет местного фактического напряженного состояния и его распределение по толщине элемента. Поскольку величина коэффициента интенсивности напряжений по фронту поверхностной трещины и статическая трещиностоикость элемента с поверхностной трещиной в значительной степени зависят от формы и размеров поверхностной трещины, то необходимо учитывать кинетику формы и размеров несквозной трещины в процессе циклического нагруженпя.
Располагая комплексом перечисленных данных, полученных экспериментальным путем, в настоящей работе оценка ресурса конструкции на стадии роста усталостной трещины в условиях: изотермических отрицательных температур производится следующим образом:
1. На основании традиционного расчета определяют основные геометрические параметры іганструкции.
Задаются вероятные размеры поверхностной трещины, которые определяются либо возможностями аппаратуры неразрушагощего контроля (для конструкций, прошедших 100% контроль), либо величиной допускаемых в конструкции дефектов согласно СНпП ІІІ-І8-75 /3/.
Для заданной марші стали определяют основные механические характеристики (табл. 2.1), значения циклической (параметры С и П в табл. 3.1 и 3.2 и рис. 3.41 и 3.42) и статической (Кс рис. 3.5і) трещиностонкости при заданной температуре эксплуатации.
