Введение к работе
Актуальность проблемы. Относительная сложность и материалоемкость испытаний по критериям трещиностойкости, а танке недостаточная проработка методов определения критических состояний сварных соединений, с учетом прис/щих им особенностей, сдерживают поактичэ-ное применение подходов механики разрушения, несмотря на разработку соответствующих стандартов.
Б большинсюе случаев деступная информация о вязкосїи разрушения конструкционных материалов и сварных соединений базируется на результатах стандартных механических испытаний и. соответственно, достижения механики разрушении не могут быть использованы ь должной мере. Это обычно относится к установлению остаточного ресурса конструкций, выяснению причин аварий, срочным экспертным оценкам различных технических ситуаций и. наконец, к соверсенствованип нормативных треОиис.ний и разработке поверочных расчетов на прочность с учетом сопротивления хрупким и вязким разрусениям.
Очевидно создавшееся положение будет сохраняться до тех пор, по;;а результатам стандартных механических испытаний не удастся придать ьов^е возможности, связав их с критериями трециностейкосїн.
Такие связи могут носить общий характер, если крнгерии трещн-ностойкости определены в условиях преобладающей плоской деформации. Эти условия детально проверены и обцеприэнаны для характеристик линейной механики разрушения, однако о нелинейной механике, в этом отношении, остіштся существенные неопределенности, как при экспериментальном определении критериев 5! с и J1C, гак и при ответе на вопрос: наскольчо типично разрушение при плоском деформированном состоянии для конструктивных элементов данной толщины с дефектами той или иной формы?
Кроме того, так называемое "б - проектные кривые", используемые при расчетах на прочность по критериям нелинейной механики разруше-
ния не "прішязаньї" к особенностям напряженно-деформированного состояния (плоская деформация - П.Д. или плоское напряженное состояние - П.Н.С.) и нуждаются в соответствующем развитии и экспериментальной проверке.
Помимо трудностей общего характера, присущих нелинейной механике разрушения, существует и другие, обусловленные, в первую очередь, последствиями термомеханического цикла сварки. Образование реальных дефектов в сварных соединениях - в отличие от дефектов идеализированных - обычно сопровождается локальными изменениями механических свойств материала в результате деформационного старения в зонах ко.1 і.іонграции термопластических (сварочных) и пластических (эксплуатационных) деформаций. Эти изменения в сочетании с остаточными напряжениями является одной из основных причин хрупкого разрушения сварных конструкций. Расчетная оценка влияния этих факторов на прочность конструкций связана с такими специфическими особенностями, что мехсиика разрушения,- за редкими исключениями, обходит этот аспект стороной Тем не менее, без преодоления указанных трудностей невозможно обеспечить достоверное использование расчетных методов механики разрушения для практических целей.
Наконец, отдельные случаи хрупкого и оязко"о разрушения сварных конструкций, з том чиоле, берущие начало or сравнительно "мягких" конструктивных концентратороз напряжений, не получают исчерпывающего объяснения в рамках традчционных подходов и требований к сдаточным характеристикам стального проката. 3 сязи с этим, уделяется внимание анизотропии служебных свойств конструкционных материалов.
Эти я другие аспекты проблемі влекут за собой отсутствие уверенности и достоверности выполняемых расчетных оценск и ограничивает использование подходов механики разрушения при установлении допускаемых значений вязкости разрушения конструкционных материалов и .их сварных соединений.
В результате требования, предъягляемые на практике к вязкости разрушения конструкционных материалов в форме чормир/имх значений
ударной вязкости обычно не имеют надлежацего обоснования. Этс отражается, в частности, в противоречиях, характерных для ряда технических норм. Практический опыт здесь играет суцествгнную роль, но рекомендации, вытекающие из него недостаточны для обеспечения надежности конструкций, особенно при использовании новых материалов, изменении условий их работы, или деградации служебных свойств в процессе эксплуатации. При сложившейся практике проектирования требования к уларной вязкости обычно устанавливаются без непосредственного учета прочностных характеристик материалов и конструктив но-технологических решенмй. Размеры трециноподобных дефектов, которые могут быть пропущены при нгразрулаюиеи контроле, осуществляемой ь соответствии с технологическими нормами, также обычно не принимаются во внимание.
Преодолению отмеченных трудностей и посвящена данная работа. Она явчяетсл составной частью проводимых е.- ИЭС и..і. Е.О. Патона систематических комплексных исследований, ня'празленных на повышение надежности и долговечности сварных конструкций.
В случае успешного решения указанний проблемы появляется возможность существенно расширить области инженерного ппименения механики разруления. в том числе, при решении задач, упомянутых, выше, для промышленности Украины основі-.ая :із них - оценка остаточного ресурса конструкций, ьольшин ство сварных конструкций в газовой и нефтеперерабатывающей пральаленности исчерпало проектный ресурс (?5 -30 лет), причем во многих с/.учаях невозможно не принимать во внимание возможность деградации служебных езойств конструкционных материалов и сварных соединений в процессе эксплуатации. Вырезка крупномасштабных проб металла дая проведения разрушающего контроля по критериям механики разруиения обычно исключается по технико-экономическим причинам Лоступная информация может базироваться только на резулотг.тах стандгртых механических испытаний.
Основной целью работы является разработка методов нормирования
требований к вязкости разрушения конструкционных материалов и сварных соединений путем установления на стадии проектирования соответствия между:
- технологическими нормами неразруиающего кон/роля;
. - конструктивно-технологическими решениями;
- ударной вязкостью и прочностными характеристиками конструкци
онных материалов.
Поставленная задача - в зависимости от особенностей конструкции - монет решаться в форме нормирования допускаемых значений ударной вязкости металла сварных соединений, либо - расчеіл узлов и элементов конструкций на прочность с учетом сопротивления различным видан разрушения. К последнему случаю относятся конструкции, имеющие крупномасштабные зоны повышенных упруго-пластичеенпх деформаций, величина которых может существенно изменяться п заоисимости от конструктивно-технологических решений. Характерным примером в этом отношении могут служить узловые трубчатые соединения глубоководных
мсп.
Достиаение поставленной цели связано с получением, развитием и обобщением ряда результатов, представляемых на защиту.
Научная новизна. .В работе установлены следующие положения, результаты и закономерности, которые выносятся на защиту: .
-методика лабораторного определения деформационной характеристики трещиностойкости В. В.Панасюка - А, А. Уэлса бс, исключающая погрепностн, связанные с механической неоднородностью сварных соединений и остаточной напряженностью;
-условия перехода от плоской деформации к плоскому напряженному состояние для определения характеристики б1С и областей ее испольэозания при расчетах на прочность или установлении допускаемой вязкости разрувения конструкционных материалов;
-аналитическое и экспериментальное обоснование связей между характеристиками трещиностойкости 5,с. К; г и стандартными мс-
ханическими свойствами конструкционных материален; -результаты, показывающие, что деформационное старение металла, вызванное локальной концентрацией в вершине дефекта термопластических (сварочных) или пластических (эксплуатационных) деформаций, является одной из основных причин хрупкого разрушения сварных соединений; снижение вязкости разрушения в результате деформационного старения моагет быть интерпретировано при инженерных расчетах, как ужесточение условий перехода при разрушении от плоской деформации к плоскому напряженному состояния;
-метод оценки допускаемой вязкости разрушения конструкционных материалов и сварных соединений с учетом деформационных повреждений материала и остаточной напряженности; -анализ причин снижения прочности сварных соединений в результате образования слоисто-хрупких и слоисто-вязких трещин. Оценка запасов вязкости разрупения сварных соединений с учетом текстурных особенностей и анизотропии механических свойств металлопроката;
-основные полоаения методики определения требований к вязкости разрушения сварных соединений и расчетов на прочность элементов конструкций с учетом сопротивления различным видам разрушения, включая сварные ивы многослойных сосудов и трубчатые соединения глубоководных МСП.
Практическая ценность н реализация результатов работы. Показано, что для повышения надежности сварных конструкций, требования к ударной вязкости следует нормировать с учетом прочностных характеристик материалов, толщины конструктивных элементов. а также - конструктивно-технологических особенностей. Разработанные методы позволяют эффективно решать эту задачу на осмоле результатов стандартных механических испытаний. Развитие этих методов обеспечивает переход от разрозненных конструктивно-технологических приемов,
- б -
применяемых в настоящее время для обеспечения надежнссти сварных конструкций к системе согласованных нормативных требований и поверочных расчетов, устанавливаюзих соответствие между технологическими нормами нерозрушающего контроля, напряженно-деформированным состояние»' расчитываемых элементоз и узлов конструкции и стандартными характеристиками конструкционных материалов.
Результаты работы і.олучили непосредственное отражение в ряде технических норм и стандартов: ВСН-41-Ь8, "Проектирование ледостой-ких стационарных платформ. Расчет на прочность с учетом сопротивления хрупкому разрушению", Москва, Госстрой - Миннефтепром,1988; ОСТ 26-01-221-86 "Сосуды и аппараты многослойные рулонированные стальные высокого давления", Минхимнефтемаш, . Москва, 1986; ТУ-14-1-4329-87 "Прокат толстолистовой из стали марок 09Г2СД и 12ХГДАФ для сварных металлоконструкций морских стационарных платформ"; МР170-05, "Определение характеристик вязкости разрушения (трещмностейкосги) сзарных соединений при статическом нагружении", Госстандарт, 1985; ГОСТ 26.506-85 "Определение характеристик трещи-ностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагрухенки'; ГОСТ "Метами и сварные соединения, метод испытания на сопротивление слоистым разрушениям".-
Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные фрагменты обсуждались и докладывались: на заседаниях научно-методической комиссии по механике разрушения (научный руководитель член-корр. АН СССР Н.А.Махутов); научно-технических конференциях в Киеве (1965, 1972), Якутске (1978), Красноярске (1984), Иркутске (1985), Челябинске (1985), Львове (1985), Москве (1985), Салта-Кла-ре (1990), Киеве (1990) к др.; на семинарах "Влияние дефектов швов на-работоспособность сварных криогенных конструкций (ИЭС - НИ США, Киов, 1979); "Выбор и обоснование методов и норм контроля качества сварных соединений" (Ленинград, 1976); научно-координационном созе-те Госстроя СССР (1985); на семинаре "Раззитче, совершенствование и
реконструкция специальных сварных стальных конструкций, зданий и сооружений (Симферополь. 1988); комиссиях IX и X международного Института Соарки; на восьмой международной котре ренцни по разрушению (Киев, 1993). на международной конференции "Спарные конструкции" (Киев. 1995). Работа обсуждалась на Научном сопете по проблемам маиинострения и технлогических процессоз АН СССР, семинаре МВТУ им. Баумана и объединенном семинаре отделов сварных конструкций ИЗС им. Е. 0. Патона.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из шести разделов, изложенных на 344 страницах машинописного текста, содержит 179 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 362 наименований на 30 страницах.