Концентратором напряжений

При этом прослеживаются два этапа развития трещины. На первом этапе в вершине зародившейся трещины как остром концентраторе напряжений происходит интенсивное повышение напряженного состояния металла, которое, согласно классическим представлениям механохимии металлов, вызывает электрохимическую активизацию трубной стали и, как следствие, ее интенсивное коррозионное разрушение (второй этап). О последнем свидетельствуют обнаруженные в полости трещины, наряду с продуктами коррозии, "островки" металла, обособившегося от основного. Кроме того, наблюдается характерное ветвление трещины, вследствие попеременной смены активно-пассивных участков металла на "берегах" трещины в процессе ее развития в присутствии формирующейся на поверхности оголенной трубы карбонат-бикарбонат-ной среды. Причем в структуре обособившегося металла сохраняется характерная для трубной стали строчечность. Такой вид трещины является классическим примером коррозионно-механичес-кого разрушения.

Коррозионно-усталостная долговечность трубопровода определяется из (5.1), при этом относительное поперечное сужение определяется согласно [13] и составляет для трубной стали 17Г1С 60%. Согласно зависимости, приведенной на рис. 38, для минимально допустимого значения потенциала катодной защиты магистральных трубопроводов, равного минус 0.85 В (МСЭ), показатель степени m модели Коффина - Мэнсона составляет 0,48. Величина уп-ругопластической деформации в концентраторе напряжений еа определяется, согласно [64], по формуле

трации деформации в упругопластической области равна Ке= 3,25, а значение амплитуды упругопластической деформации в концентраторе напряжений по (5.30) равно еа = 0,0047.

В качестве отправной точки было взято количество циклов за нормативный срок эксплуатации (для нефтепроводов - 12 000 циклов). Задавшись коррозионно-усталостной долговечностью трубопровода, определяется допускаемая упругопластическая деформация в концентраторе напряжений (Еа), используя при этом найденные и принятые выше параметры зависимости Коффина - Мэнсо-на (ml, \)/). Затем рассчитывается соответствующая принятым N, ml, ц> и деформация в стенке трубы (ер) при эффективном крэффи-циенте концентрации деформации в упругопластической области Ке = 3,25. Проведенный расчет показал, что внутреннее давление в данном случае составляет не более 4,8 МПа.

На основании полученного давления проводим поверочный расчет на прочность в условиях коррозионно-усталостного воздействия. Кольцевые напряжения от внутреннего давления уменьшаются по сравнению с предыдущими и составляют схс = 252,4 МПа. Деформация в стенке трубы составляет sp = 0.00126. Коэффициент концентрации напряжений от формы сварного шва равен оСф = = 1,525, а коэффициент концентрации напряжений от геометрических отклонений сварного соединения для скорректированного давления составил о^, = 1,429. Коэффициент концентрации напряжений сварного соединения при этом оказался равным сс(а) = 2,179. Тогда для полученного значения а(ст) эффективный коэффициент концентрации деформации в упругопластической области уменьшается до величины Кс= 2,98. Амплитуда упругопластической деформации в концентраторе напряжений составила е.. = 0,00375. Для данного значения ga коррозионно-усталостная долговечность трубопровода увеличивается до величины N = 12 234 цикла, которая удовлетворяет установленному для нефтепровода ресурсу.

Разрушение в результате усталости или коррозионной усталости происходит, как правило, из-за ошибок проектирования, когда не учитгылится реальные условия эксдуатации оборудования и spy-оопроьо.цои. с^роадшшь трещнл и этом случае происходит даже в катоднозищищёкнол конструкции под действием механического фактора в концентраторе напряжений. При этом устья трещини являются анодами и подвергаются анодному растворению, а стенки трещины - катадими. Поляризация от внешнего источника тока распространяется ни уотье трещинг, не оказывает положительного влияния ни корроаионно-усталостное разрушение и даже приводит к ускорении роста трещи;ш. Таким образом, время до разрушения

Условие малоциклового нагружения появляется не только в случае повышения рабочих напряжений в стенке конструкции за предел текучести ( б - общая пластическая деформация), но и в случае местной пластической деформации, когда в концентраторе напряжений (трещина, надрез, резкий переход формы сечения, сварные швы) значения действующих напряжений превышают и рабочие напряжения в стенке конструкции, несмотря на то, что вся конструкция работает на общем фоне упругих напряжений.

По предлагаемому способу13 ускорения получения характеристик усталостной долговечности образцы с расположенными на них одинаковыми концентратами напряжений испытывают до появления трещины в наиболее слабом месте. Испытание прекращают, а поврежденную зону подвергают упрочняющей обработке. Затем испытания продолжают до появления трещины в следующем концентраторе напряжений.

Для определения истинных напряжений в вершине усталостной трещины кроме концентрации напряжений от самой трещины в рассматриваемой области следует учитывать влияние исходного надреза со своей концентрацией напряжений. Иными словами, усталостную трещину в исходном концентраторе напряжений можно представить как надрез в надрезе. Для этого случая концентрацию напряжений можно приблизительно выразить с помощью общего произведения обоих концентраторов

наиболее нагруженным концентраторам напряжений. Сплошные линии, проведенные по этим точкам, представляют собой кривые усталости, а горизонтальный их участок-—предел выносливости по разрушению. Точками, зачерненными наполовину, обозначено-присутствие в концентраторе напряжений усталостных трещин на разных стадиях их развития, обнаруженных с помощью металлографического анализа зон неразрушившихся концентраторов. Светлые точки обозначают отсутствие у вершин концентратора видимых (Х500) усталостных повреждений. Штриховые

Рукоять разрушается в основном по сварному шву, соединяющему балку с концевой отливкой. В данном случае при жестком концентраторе напряжений наблюдается еще разупрочнение материала в зоне шва, что ведет к разрушению. Кроме того, наблюдаются разрушения по npoyi.'iv-

Предельную деформацию образца с концентратором напряжений можно определить исходя из определения понятия коэффициент концентрации пластических деформаций КЕ:

Долговечность элемента с концентратором напряжений или дефектом определяется по формуле (6.1) с соответствующей расшифровкой параметров FH и Ку.к.. Величина FH вычисляется по величине предельного напряжения

Более сильное отрицательное влияние оказывают дефекты на работу конструкции под усталостной нагрузкой. Каждый, даже небольшой дефект непровара является концентратором напряжений. Концентрация напряжений (концентрация деформаций) от дефектов является источником зарождения первичных трещин, распространяющихся при повторных нагружениях или с течением времени. Иногда трещины значительной длины возникают внезапно и служат причиной аварий, например, в конструкциях подъемно-транспортных машин, в строительных и других объектах, а также в конструкциях оболочкового типа (газопроводы, сосуды давления), где образовавшаяся трещина может распространяться на большом протяжении.

пластинчатый графит. В отличие от пластинчатого шаровидный графит не является активным концентратором напряжений. Чугупы с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обычный состав чугуна: 2,7—3,7 % С; 1,6—2,7 % Si; 0,5 — 0,6 % Ми; <0,10 % S * и <0,10 % Р.

Таким образом, в поверхностном слое сосредотачиваются многочис; ленные и разнообразные субмикро-, микро- и макродефекты, вызванные механическими, физическими и химическими факторами и неизбежные по технологическим условиям образования поверхностного слоя, а также в силу особой роли наружного слоя как поверхности раздела между металлом и окружающей средой. Поверхностный слой является присущим каждой детали концентратором напряжений, влияние которого можно ослабить комплексом мероприятий, но нельзя устранить полностью.

Главное значение имеет расположение деконцеитратороя. При правильном расположении деконцентраторы спрямляют силовые линии в выключают из силового потока участки, смежные с концентратором напряжений (штриховые линии ва деталях б в 7). Неправильным

При циклическом нагружении эффективный коэффициент концентрации напряжений упрощенно определяют на основании кривых усталости гладкого образца и образца с концентратором напряжений (рис, 175) как отношение их пределов выносливости (fe, *= СоЛО или разрушающих напряжений в области ограниченной долговечности при одинаковом числе циклов N (k3 = OO/CT').

Еще тяжелее условия работы ввертного болта (рис. 351,6), когда на опасных участках (близких к плоскости стыка) нарезана резьба, являющаяся концентратором напряжений. Наиболее неблагоприятен случай изгиба шпильки, ввернутой до упора в торец отверстия (рис. 351, в). Здесь в опасном сечении возникают высокие напряжения растяжения, складывающиеся из напряжений от предварительной затяжки и напряжений, созданных при завертывании шпильки до упора в торец. Как и в предыдущем случае, происходит концентрация напряжений на участке выхода резьбы на плоскость опасного сечения.

Степень влияния местных напряжений на прочность детали существенно зависит от характера нагружения и материала. При расчете конструкции из пластичных материалов, работающей в условиях статического нагружения, местными напряжениями пренебрегают. Это объясняется тем, что при росте нагрузки напряжения в зоне концентрации, достигнув предела текучести, не возрастают до тех пор, пока во всех соседних точках они не достигнут того же значения, т. е. пока распределение напряжений в рассматриваемом сечении не станет равномерным. Иначе обстоит дело при циклически изменяющихся напряжениях. Многократное изменение напряжений в зоне концентратора напряжений приводит к образованию и дальнейшему развитию трещины с последующим усталостным разрушением детали. Для оценки снижения прочности вводят эффективный коэффициент концентрации, равный отношению предела выносливости а_1 гладкого полированного образца к пределу выносливости образца с концентратором напряжений, абсолютные размеры которого такие же, как и у гладкого образца:

Межкристаллитное сероводородное растрескивание 3" тройника инициировано технологическим концентратором напряжений, расположенным на внутренней стенке корпуса тройника. Малая толщина стенок и нерациональная технология изготовления обусловили сероводородное растрескивание тройника мета-нольной гребенки. Разрушение патрубков 0115x6 мм из стали ТТ5Т35 в зоне приварки к воротнику произошло вследствие слияния водородных треи-чн, развившихся по неметаллическим включениям вдоль стенки трубы, и их дальнейшего слияния с трещинами, возникшими в результате сероводородного растрескивания металла. Растрескивание патрубков вызвано воздействием неингибированной сероводородсодержащей среды, так как патрубки расположены в застойной зоне сепаратора, а также повышенными растягивающими напряжениями, в том числе от изгибающего момента.

к теоретическому. При статическом нагружении деталей из пластичного материала эффективный коэффициент концентрации напряжений близок к единице, и местные напряжения не влияют на прочность. При переменных напряжениях концентрация последних существенно понижает прочность деталей. Эффективным коэффициентом концентрации Ка или Kt при напряжениях, переменных во времени, называется отношение предела выносливости, определенного на гладком образце, к пределу выносливости образца с концентратором напряжений: