Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТРЕЩИНОСТОИКОСТИ МАТЕРИАЛА СТЕНКИ СОСУДА ДАВЛЕНИЯ 4
1.1. Характеристика объекта исследования 4
1.2. Методы оценки трещиностойкости материала стенки сосуда.... 12
1.3. Локальные критерии оценки трещиностойкости 25
1.4. Постановка темы, цели и задачи исследования 36
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРАГИВАНИЯ И ДВИЖЕНИЯ ТРЕЩИНЫ ОТ КОНЦЕНТРАТОРА 40
2.1. Единый механизм разрушения образцов, имитирующих поведение стенки сосуда с дефектом 41
2.2. Анализ результатов растяжения цилиндрических образцов с кольцевой выточкой 51
2.3. Модель упруго-пластического поведения однородного материала в процессе деформирования 60
2.4. Основные положения метода оценки неразрушимости оболочковой конструкции на имитационной модели 65
2.5. Выводы по главе 72
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ МАТЕРИАЛА 74
3.1. Выбор материала для постановки исследования 74
3.2. Основные этапы методики определения sc(j) 80
3.3. Определение пластичности ИМВ-2 84
3.4. Основные результаты, полученные по итогам определения предельной пластичности 119
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СВАРНОЙ ОБОЛОЧКИ С ДЕФЕКТОМ НА ОСНОВЕ ЛОКАЛЬНОГО КРИТЕРИЯ РАЗРУШЕНИЯ 121
4.1. Моделирование пошагового нагружения образца с поверхностной трещиной 122
4.2. Прямое моделирование процесса разрушения от кольцевой трещины в сварном сферическом сосуде 133
4.3. Выводы по трещиностоикости стенки сварного сосуда из ИМВ-2 и методу её оценки 171
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 173
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 176
ПРИЛОЖЕНИЯ 186
- Характеристика объекта исследования
- Единый механизм разрушения образцов, имитирующих поведение стенки сосуда с дефектом
- Выбор материала для постановки исследования
Характеристика объекта исследования
Сосуды давления чрезвычайно широко распространены в различных отраслях хозяйственной деятельности человека. Это котлы ТЭЦ, корпуса ядерных реакторов, ресиверы компрессорных установок, топливные баки ракетных двигателей, газо - нефтепроводы, цистерны и резервуары для хранения жидких и газообразных веществ, сосуды другого назначения. Отличительные особенности сосудов давления от других конструкций:
а) Наличие высокого внутреннего давления и требование герме тичности, как основного условия сохранения работоспособности сосуда. В зависимости от предназначения сосуда, условия эксплуатации могут предполагать наличие:
- циклического изменения внутреннего давления, характерного, например, для ресиверов, нефтепроводов, котлов, цистерн и резервуаров;
- широкого диапазона температур эксплуатации: от глубокого холода в криогенной технике, климатических перепадов температур для газо - нефтепроводов, сосудов хранения, до температур перегретого пара в реакторах, котлах и парогенераторах электростанций;
- радиационного охрупчивания металла, воздействия коррозионной среды на стенки сосудов энергетики, химии, нефтепроводов, другого специфического воздействия.
б) Несмотря на сравнительно простую цилиндрическую или сфе рическую форму, в сосудах давления невозможно избежать концентра торов напряжений. Конструкцию сосудов усложняют устройства под вода, сброса и другие технологические отверстия. Для трубопроводов
характерной причиной концентрации являются отклонения трубы от цилиндрической формы из-за овальности сечений и вмятин, возникающих на этапе укладки трубопровода в траншею. Наиболее опасным для работы трубы является сочетание в одном сечении вмятины и задира при наличии задира на малой оси овального сечения трубы [1]. К концентраторам напряжений, вызванным формой изделия, относятся также усиления стыковых сварных швов. Концентраторами напряжений являются все возможные дефекты в сварных швах, учет которых усложняется наличием характерной неоднородности механических свойств в зонах сварных соединений, полем остаточных сварочных напряжений.
в) Материал стенки в течение всего срока эксплуатации работает в условиях двухосного напряженного состояния. С увеличением толщины стенки усложняется схема НДС. С позиций сопротивления материалов в зависимости от отношения d/D, различают тонкостенные (d/D 0,25) и толстостенные (d/D 0,25) сосуды. Это деление имеет смысл в условиях однородного НДС. При наличии концентраторов напряжений типа трещин, тонкостенность или толстостенность сосуда правильнее определять по условию обеспечения плоского напряженного состояния у вершины трещины. Так, у вершины характерной для сосуда поверхностной трещины, согласно [2], уже при толщине стенки свыше 15 мм может реализовываться наиболее жесткое трехосное напряженное состояние. Такие толщины являются характерными для магистральных трубопроводов, цистерн, резервуаров и других сосудов, относящихся к классу тонкостенных.
Единый механизм разрушения образцов, имитирующих поведение стенки сосуда с дефектом
Разработка расчетной методики оценки опасности дефекта в оболочковой конструкции невозможна без наличия представлений о поведении материала зоны дефекта в процессе нагружения сосуда. При этом наиболее важным является выделение причинно-следственных связей между НДС вблизи концентратора, свойствами материала и условием нарушения работоспособности сосуда - образования течи. В силу того, что сварной сосуд с дефектом представляет собой сложный объект исследования, представляется целесообразным воспользоваться отраженными в литературе сведениями по этой проблеме, условно разделив их на два блока:
1. влияние схемы нагружения и размеров расчетного элемента сосуда на НДС вблизи концентратора;
2. особенности реакции материала вблизи концентратора на изменение НДС.
Первый блок представляет данные о влиянии на механизм развития разрушения своеобразия сосудов давления, которое определяется: сваркой; формой и размерами сосуда; типом, формой, размерами и расположением дефекта. Второй - дает представление о взаимосвязи расчетного понятия НДС с процессом зарождения и развития разрушения локальной зоны материала. На основании этих данных, не проводя сложных и многочисленных экспериментов, можно сформулировать требования к методу моделирования НДС в сварной оболочке и критерию его последующей оценки на предмет выполнения условия разрушения. 2.7. Единый механизм разрушения образцов, имитирующих поведение стенки сосуда с дефектом.
Стенка сосуда давления работает в условиях двухосного напряженного состояния. Воспроизведение таких условий возможно путем натурных испытаний сосуда или применением специальных приемов нагружения пластин: выпучивания пластины через круглое или овальное отверстие [43]; растяжения пластины по двум направлениям [44, 45]. Исследование разрушения натурных элементов оболочек проводятся, как правило, для обоснования конструкции и технологии изготовления сосуда в целом. Количество таких испытаний из-за высокой стоимости ограниченно, а их результаты, несмотря на значительный объем регистрируемой информации [46], сложно использовать для целей данной работы.
Экспериментально осуществить двухосную схему нагружения толстолистового образца ограниченных размеров достаточно трудно. Известен приём, основанный на выпучивании пластины через матрицу с отверстием круглой или эллиптической формы. Для этого случая характерно наличие градиента напряжений по толщине пластины [43], искажающих условия нагружения дефекта в сосуде, а значит и закономерность его разрушения. Применительно к трещиноподобным дефектам широкое применение нашел метод испытаний [47], основанный на предположении, что на развитие разрушения оказывает влияние только та компонента напряжений, которая нормальна к плоскости трещины. Тем самым, можно существенно упростить лабораторные приемы имитации поведения трещины в стенке сосуда, ограничить их рамками одноосного растяжения пластины с поверхностной трещиной.
Выбор материала для постановки исследования
В зависимости от свойств материала сосуда давления и НДС вблизи очага локального разрушения, возможны два характерных варианта его дальнейшего развития: стабильное - развитие разрушения происходит только при увеличении нагрузки (давления); нестабильное - самопроизвольное, не требующее роста внешней нагрузки. Анализ литературных данных показал, что по нормам проектирования сосудов давления [17] только хрупкое (нестабильное) разрушение подлежит обязательному расчету. Во-первых, это объясняется тем, что разрушение по хрупкому механизму приводит сразу к образованию значительной поверхности разрушения во всей толщине стенки сосуда и, как следствие, к потере сосудом герметичности. Во-вторых, стабильное разрушение можно представить как промежуточную фазу разрушения перед переходом к нестабильности. В связи с этим, расчетный метод оценки стенки сосуда с дефектом по предельному состоянию разрушения должен быть, в первую очередь, нацелен на оценку возможности хрупкого разрушения.
Отработка метода оценки возможности хрупкого разрушения требует проверки достоверности получаемых результатов на всех этапах расчета. В качестве основных критериев достоверности обычно принимают соответствие расчетных и экспериментальных величин, а также соотношение результатов, полученных на основе предлагаемого и существующих методов оценки хрупкого разрушения. Среди методов оценки хрупкого разрушения в инженерной практике широкое распространение получила только линейная механика разрушения и её критерий разрушения Klc.
На практике свойства материала сосуда давления, как правило, обеспечивают предотвращение хрупкого разрушения с большим запасом. Однако вследствие климатических, эксплуатационных, иных воздействий, влияния неоднородности свойств, вызванных сваркой, остаточных сварочных напряжений, возможно изменение как исходных свойств материала, так и схемы его нагружения. Этим в первую очередь можно объяснить аварии сосудов давления с возникновением разрывов стенки по хрупкому механизму. Воспроизведение таких условий состояния материала является сложной экспериментальной задачей. Поэтому для исследования закономерностей хрупкого разрушения нередко используют более простые приемы снижения вязкости материала, например, такие, как снижение температуры.
В настоящей работе в качестве материала для исследования хрупкого разрушения выбран магниево-литиевый (Mg-Li-Al-Cd) сплав ИМВ-2. Основные прочностные -76-характеристики ИМВ-2 следующие: Е=45..46 ГПа, G=16 Гпа, ц=0,33 [72], 0-,,2=130 МПа, ав=210 МПа, 8=13%. Благодаря выгодному соотношению прочность/удельный вес ИМВ-2 нашел применение в специальной технике и летательных аппаратах. Попытка использовать ИМВ-2 в конструкции сосудов давления оказалась бесперспективной по причине недостаточной вязкости материала. Экспериментальные исследования трещиностойкости ИМВ-2 и его сварных соединений на образцах с поверхностной трещиной (рис. 1.8) показали [48], что своеобразные свойства этого сплава позволяют получить нестабильное разрушение при нормальной температуре.
На рис. 3.2, 3.3 и 4.23 представлены некоторые результаты этого экспериментального исследования. В результате осмотра разрушенных частей образцов выявлено, что утяжка на тыльной стороне образцов практически отсутствует, излом имеет зернистый вид. На момент стра-гивания трещины д0 составляет 0,01-0,03 мм, максимальное пластическое вытяжение волокна в сечении 8МАХ не превышает 0,5 мм (рис. 3.2). Это свидетельствует о хрупком характере разрушения (тип / на рис. 2.5). Вместе с тем, диаграмма деформирования образца (для толщины 10..12 мм) имеет участок спада нагрузки MP (рис. 3.1), а обмер профиля разрушения и построение распределения пластического вытяжения волокон д вдоль линии роста трещины от ее вершины до тыльной стороны образца показывает рост пластической деформации в процессе разрушения (рис. 3.2). В некоторых случаях на участке QM отмечен промежуток нестабильного роста трещины по хрупкому механизму, с уменьшающейся или постоянной величиной пластического вытяжения волокон материала (рис. 4.23). Таким образом, в точке Q (рис. 3.1) происходит страгивание трещины в условиях незначительной зоны пластической деформации.
