Введение к работе
Актуальность проблемы, В последние годы наметилась тенденция к резкому увеличению количества разрушений металлических конструкций, последствия которых проявляются в масштабах предприятий или целого региона и связаны не только с человеческими жертвами, ію и с загрязнением окружающей среды. Ликвидация последствии аварий требует серьезных материальных и трудовых затрат. Основной причиной повышения интенсивности отказов является увеличение количества силовых конструкций, отработавших свой нормативный срок. Например, в Дальневосточном регионе России около 65% парка грузоподъемной техники и'котельного оборудования исчерпали свой проектный ресурс. Безаварийная эксплуатация таких объектов не может быть гарантирована без организации системы наблюдений за техническим состоянием несущих элементов конструкции с целью своевременного выявления изменений в объекте, их оценки, предупреждения н устранения негативных процессоз. Указанные системы включают технические средства контроля параметров технического состояния н диагностические модели, которые должні J обеспечивать оценку текущей работоспособности сварных конструкций с учетом особенностей их изготовления и условий эксплуатации. Одним из путей повышения эффективности диагностических систем является использование моделей, позволяющих провести оценку работоспособности объеета по сведениям, полученным нераз-рушающнмн методами контроля параметров технического состояния.
Разработка моделей неразрушающей диагностики требует изучения закономерностей многостадийного, многомасштабного, многофакторного процесса разрушения, устанавливающих количественные связи между «вонствами металла, которые можно определить неразрушшощимн методами, условиями эксплуатации и критериями, оценивающими предельное состояние элементов конструкции. Существенно усложняется решение указанной проблемы в приложении к сварным конструкциям, так как сварные соединения представляют собой сложную физико-химическую, механическую и электрохимическую макро- и микрогетерогенную систему, характеризующуюся неоднородностью свойств. Возникающие в процессе сварки остаточные напряжения в результате взаимодействия с переменным полем внешней нагрузки могут значительно изменять усталостные характеристики зон сварного соединения. Механика взаимодействия собственных и внешних полей напряжеіній изучена недостаточно полно.
Важно отметить, что к настоящему времени доказано наличие фундаментальной, однозначной связи между исходной структурой материала и его сопротивлением микроразрушению. Поэтому особое практическое значение имеет установление связи между микрокритернямн, определяющими сопропгаляе-
мость микроструктуры металла развитию субмикротрещнн, н макроіфіггериями, которые оценивают конструктивную прочность. Наличие такой зависимости позволит белес ібосиоззнно, с учетом условий эксплуатации выбирать характеристики материала, оптимизировать параметры технологических процессов и создать оснозь: комплексної] неразрушающей диагностики ксталличссіая конструкций, обеспечивающие разработку алгоритмов оценки полной и остаточной долговечности .
Целью работы явилось: на основе предложенной физико-механической модели образования и развития разрушения в феррито-перлитных сталях создать диагностическое обеспечение, позволяющее осуществить оцешеу остаточной долговечности сварных конструкций на базе сведений о состоянии се элементов, полученных неразрушающимн методами.
Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-разработать структурно-механическую модель кинетики разрушения, устанавливающую зависимость между микро- и макрохарактерцетикамн сопротивляемости материала развитию трещин;
-получить решение задачи определения параметров напряженно-деформированного состояния в вершине макротрсщшш при реализации степенного закона упрочнения металла;
создать расчетные методы определения пороговых н критических характеристик по сведениям о состоянии микроструктуры;
изучить влияние деградации свойств металла на разшггне усталостного а хрупкого разрушения и предложіпь метод, позволяющий оценить изменение характеристик трещиностойкостн металла в процессе эксплуатации;
разработать алгоритм и расчепгую схему оценки продолжительности стадні: зарождения и развития макротрещниы при поличастотном погружении на базе сведений о состоянии металла напряженных элементов обследуемой конструкции, полученных неразрушающим методом;
изучить влияние технологических и эксплугащюнных факторов на процесс зарождения и развития разрушения;
создать комплекс оборудования, методики и комплект прикладных программ, позволяющих по текущей информации о состоянии объекта, полученной на базе неразрушающих методов, произвести оценку его остаточной работоспособности и определить время до следующего обследования.
Методы исследования, применяемые в работе, включают: математические методы решения задач теории упругости и пластичности ( аналитические, чис-. ленные) при анализе напряженно-деформированного состояния в вершине трещины и оценки перераспределения поля внутренних напряжений в процессе развития трещины; современные представления о физике прочности; металлографический метод исследования с использованием комплексной статистической обработки; комплекс методов неразрушающего контроля (магнитные, ка-
5 пнлярпые, акустические); те:ізометрические измерения; испытания крупногабаритных образцов при двухчас'тотпом нагружении в условиях реализации меха-но-корро.шоцного н механического разрушения; электрохимические измерения злекіродш їх потенциалов.
В работе представлены методичесхие разработки, расширяющие возможность коэрцнтпметрического метода яри определении поврежденное трубних элементов поверхности нагрева.
Научит нопизна работы. 1. На базе комплексного статистического анализа организационного строения микроструктурных элементов ферритс-нсрлитных сталей установлено, что размеры структурных мод металлов, не подверженных воздействию механических сил, подчиняются закоігу геометрической прогрессии d,+„^--(fd, (где м«1,2,3,...; q - коэффициент, равный 1,39+1,43; di - линейный размер моды). Пластическое деформирование металла сопрово-:кдается образованием фрзтмснтироваиной (диссипатниисй) структуры, кото-рал определяет механические свойства металлов з процессе разрушения. Размеры фрагмснтирбканных мод зависят от размеров исходной структуры в соответствии с зависимостью /=(1,6+1,65)^.
2. Предложена физико-механическая модель развития макротрещшш ти
на І а поликристаллических материалах, основанная на реализации возможно
сти образования "гриффитовскнх" субмикротреіцші в зоне предразрушения и
учитывающая различную рель коипонентоз напряжеіпго-деформирозапного со-
стояния (НДС) в верните трещины при образовании субмикретрещин и разру
шении перемычки между макро- и микротрещиной. Показано, что образование
субмнкротрещин, которые обеепечнзают разрушения перемычки, контролиру-
ется напряжениями, направленными параллельно линии продолжения трещины.
3. Получено решение задачи распределения напряжений з вершине
трещины при степенном законе упрочнения, которое совместно с установлен
ными закономерностями фрагментации структурного строеїшя поликристаллоз
при пластическом деформировании легло в основу создания расчетных зависи
мостей пороговых характеристик (Kt>,, АКо,) от простых механических свойств и
параметров структуры металлов. Разработана методика расчетного определения
пороговых характеристик для любых значений асимметрии цикла нагруження,
что обеспечивает возможность аналитического построения диаграммы устало
сти металлов.
4. На базе предложенной физико-механической модели и представлений о
накоплении критической энергии в структурных элементах, расположенных в
зоне предразрушения, определены условия наступления предельного состояния
тела с трещиной. Принято, что критическим следует считать такое состояние,
когда макротрещина за один цикл иагружения может продвинуться на рас
стояние равное (0,6+0,8V/„jwj . Именно такой момент характеризует начало не
стабильного роста трещины.
Получены расчетные зависимости критических характеристик К/с и Sic от простых механических свойсти и параметров структуры металлов.
-
Уста"х>Ълено, что остаточные сварочные напряжения (ОСИ) при воздействии внешних переменных напряжений изменяют не только асимметрию цикла нагружения, но и в некоторых случаях существенно увеличивают размах суммарной амплитуды напряжений, действующих в районе сварных соединений. Концентрация суммарных напряжений происходит в области растягивающих напряжений около окончания прерывистых швов при действии внешних напряжений вдоль шва, а также в кольцевых швах сосудов давления в переходной зоне между сжимающими и растягивающими ОСН.
-
На основании результатов численного моделирования развития трещины з активной зоне сварного соединения установлены основные закономерности перераспределения ОСИ в процессе роста поверхностной мпкротрещипы. Показано, что при развитии трещины в области ее вершины знак растягивающих ОСИ не изменяется далее в том случае, когда вершина трещины оісазивает-ся в районе сжимающих ОСН.
-
Установлено неоднозначное влияние ОСН на развитие поверхностных трещин. Показано, что при ориентации поверхностных трещин вдоль шва растягивающие ОСН ускоряют развитие разрушения в низкоампшггудных областях КДУР и несколько замедляют рост трещин в высокоампшпудных областях. Сжимающие ОСН замедляют развитие разрушеши. Для сквозных трещіш наблюдается противоположное влияние: растягивающие напряжения замедляют, а сжимающие ускоряют развитие усталостного разрушения.
-
Предложена рассчгтная зависимость снижения критического коэффициента интенсивности напряжения от срока и температуры эксплуатации. Расчет кріггерия хрупкой прочности, учитывающий ослабление межзереиных (межатомных) связей за счет проявления тепловой и водородной хрупкости, позволяет определить критическую трещину в текущий момент эксплуатации.
Практическая ценность работы. Научные результаты работы легли в основу ряда методик расчета остаточной долговечности и создаїшя систем практической диагносппси сварных конструкций. Разработана методика, комплект программ и комплекс оборудования, позволяющие проводить неразрушающую диагностику и оценку остаточного ресурса с учетом технологической наследственности, фактической начальной поврежденности элементов при изготовлении и эксплуатации конструкций в условиях воздействия коррознонно-акпшных сред. Созданы алгоритмы и расчетные схемы, обеспечивающие оценку продолжительности стадии образоваїшя макротрещин и стадии стабильного ее развития при поличастотной нагрузке на базе текущей информации о состоянии структуры материала, получешюй неразрушающимн методами.
Доработана технология съема информации о состоянии структуры металла элементов эксплуатирующихся конструкшій с помощью реплик.
Разработана расчетная методика оценки снижения механических характеристик металлов э процессе эксплуатации з зависимости от воеменк, температуры и исходных свойств.
Предложен расчетный метод построения диаграммы усталости металлов.
Разработана методика определения наиболее слабого звена сварного соединения в реальных условиях эксплуатации, что позволяет оптимизировать технологию сварки на базе критериев конструктивной прочности.
Установлены основные факторы, влияющие на развитие разрушения в коррознонно-акпшных средах при коррозконно-устзлостном разрушении сварных элементов из феррито-перлитных сталей. Предложен расчетный метод определения продолжительности стадии образована макротрещины з разаизею-шемся коррозионном дефекте.
На базе коэрнитиметрического метода разработан метод оценки механических свойств труб поверхности нагрева котлов в процессе эксплуатации. По-л)чсііі; зависимости, позволяющие провести ранжировку труб ::г стадии ;;згс-тозления блокоз поверхностей нагрева. Внедреяг.е в промышленность этого метода при капитальном ремонте гсотлоагрегптов з Дальневосточном регионе я разработанных систем диагностики дало суммарный экономический эффект более 2,0 млн.руб. (по ценам до 19S9 года).
Материалы диссертации включены в учебный процесс. Они составили основу дисциплины "Техническая диагностика" и вошли з дисциплины "Физика прочноспі" и "Проектирование сварных конструкций" для студентов специальности 1205 "Оборудование и технология сварочного производства".
Основные положения, вмносумьге на защчту.
-
Физико-механическая модель страгивапня и развитая махротргнппш, основанная на особенностях формирования локального напряженного состояния и микромеханизмов образоваши субмнкротрещин а зоне предразрушенкя и на разделении роли компонентой напряжений в вершине трещины на стадии образования субмнкротрещин и на стадии разрушенм перемычки между микро- и макротрещиной, а также учитывающая закономерности образования фрагменпфованной структуры с болынеугловыми границами.
-
Решите задачи определения параметров напряженно-деформированного состояния в вершине трещины для степенного закона упрочнения металла.
-
Полученные однозначные аналитические зависимости между пороговыми (Кл, АКй), критическими (Kic, Sic) макрохарактеристиками, оценивающими конструктивігуго прочность, и микрохарактеристиками сопротивления металла развитию разрушения, определяемыми структурой металла.
-
Метод расчетной оценки остаточной долговечности сварных элементов при действии двухчастотной нагрузки, учитывающий фактическую поврежден-ность, состояние структуры металла, снижение механическігх характеристик а процессе эксплуатации и воздействие коррозионно-активных сред.
5. Установленный эффект концентрации суммарных напряжений из-за
наличия ОСИ при определенных схемах действия внешнего нзгруження, полу-
s ченные закономерности перераспределения ОСН при развитии поперечной относительно шва трещины в активной зоне сварного соединения и установленные закономерности влияния ОСН на развитие поверхностных и сквозных трещин, расположенных вдоль шва.
-
Расчетная методика построения диаграммы усталости по сведениям о микроструктуре металлов. Методика определения наиболее "слабой" зоны сварного соединения с учетом параметров действующей нагрузки, позволяющая провести оптимизацию технологии сварки на базе критериев конструктивной прочности.
-
Неразрушающий метод оценки остаточной работоспособности поверхностей нагрева котельных агрегатоз.
-
Методика проведения технической диагностики эксплуатирующихся крупногабаритных металлических конструкций из феррито-перлигных сталей, основанная на информации о текущем состоянии структуры и на разработанных расчетных методах оценки продолжительности различных стадий разрушения в данных условиях эксплуатации и использовании комплексной методики не-разрушшощего контроля.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе получено 5 авторских свидетельств на изобретения. Под руководством автора защищено 3 кандидатских диссертации. Наиболее важные положения работы докладывались: на научно-технических конференциях по сварке в судостроении н судоремонте (Владивосток, 1983, 1984, 1987 гг.); Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспектива развития элек-тротехнолопш" (Иваново, 1987г.); Дальневосточной научно-технической конференции "Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций," (Владивосток, 1987г.); Дальневосточной научно-технической конференции "Пути ускорения НТП в сварочном производстве"(Владігоосток, 1988г.); Всесоюзном совещании "Оценка предельного состояния теплоэнергетического оборудования" (Союзтехэнергс, 1988г.); Всесоюзном совещании "Применение ЭВМ в научных исследованиях к разработках" (ЦНИИЧермет, Москза, 1988г.); Всесоюзной конференции "Прочность материалов и конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения" (Киев, 1988, 1992 гг.); Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии к аналитическим методам исследования твердых тел" (Звенигород, !988г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания новой техники освоения шельфа" (Горький, 1989г.); Всесоюзной научно-техжгческой конференции "Проблемы снижения матсриалостойкости силовых конструкций" (Горький, 1989г.); Международной конференции "Сварные конструкции" (Киев, 1990г.); Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, Киев, 1990г.); Международном конгрессе "Защита-95" (Москва, 1995г.).
9 Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 276 наименований. Работа изложена на 300 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 107 рисунков.