Концентраторов напряжения

В качестве исследуемых объектов использовались образцы прямоугольного сечения из стали 17Г1С с концентратором напряжения в виде V-образного надреза глубиной 1 мм. Частота нагру-жения 1 Гц. Для наблюдения за кинетикой развития трещины боковые поверхности образцов полировались. Наблюдение за ростом трещин осуществлялось с помощью измерительного устройства на базе стереоскопического микроскопа МБС-9.

при симметричном цикле нагружения, определяется эффективным коэффициентом концентрации напряжений Ко -'~ o_i/o_1H, где <т_! 11 °'-ш — пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом (концентратором напряжения).

повреждений сопровождается изменением механических и электрофизических свойств металла конструкции. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции [17, 18, 33]. В качестве примера на рисунке 3.5.1 представлена картина распределения напряжений, полученная в результате расчета напряженно-деформированного состояния испытательного образца с концентратором напряжения. Расчет произведен применением комплекса программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов ELCUT.

Для исследования параметров гармоник сигнала при растяжении плоских образцов с концентратором напряжения - боковым пропилом на поверхность образца была нанесена сетка, в узлах которой производились измерения.

Рисунок 3.5.4 - Топография распределения амплитуд гармонических составляющих сигнала накладного вихретокового преобразователя при сканировании поверхности нагруженного плоского образца с концентратором напряжения в виде бокового пропила: а - амплитуда 1--й гармоники; в- 2- и гармоники; б - 3- и гармоники; г - 5- я гармоники

Для построения поверхности распределения амплитуд гармонических составляющих была разработана программа в системе MatLab. При этом были созданы матрицы параметров гармоник и координат точек, нанесенных на поверхность образца. По значениям матриц производилась интерполяция с помощью функции griddata [99]. На рисунке 3.5.4 показаны картины распределения амплитуд 1-й, 2-й, 3-й и 5-й гармоник вдоль поверхности плоского нагруженного образца из стали 16ГС с концентратором напряжения в виде бокового пропила. В ненагруженном состоянии образца изменения амплитуд гармонических составляющих незначительны. Значительные изменения присутствуют у краев пропила, что связано с влиянием краевого эффекта. Причем амплитуды различных гармоник по-разному реагируют на неоднородности поверхности и внутренней структуры образца. После приложения нагрузки отклик в зоне зарождения трещины присутствует у всех гармоник.

Рис. 54. Кривые усталости легированной стали 34 CrNiMo 6 с различным концентратором напряжения

повреждений сопровождается изменением механических и электрофизических свойств металла конструкции. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции [17, 18, 33]. В качестве примера на рисунке 3.5.1 представлена картина распределения напряжений, полученная в результате расчета напряженно-деформированного состояния испытательного образца с концентратором напряжения. Расчет произведен применением комплекса программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов ELCUT.

Для исследования параметров гармоник сигнала при растяжении плоских образцов с концентратором напряжения - боковым пропилом на поверхность образца была нанесена сетка, в узлах которой производились измерения.

Рисунок 3.5.4 - Топография распределения амплитуд гармонических составляющих сигнала накладного вихретокового преобразователя при сканировании поверхности нагруженного плоского образца с концентратором напряжения в виде бокового пропила: а - амплитуда 1--Й гармоники; е- 2- и гармоники; б - 3- и гармоники; г - 5- и гармоники

Для построения поверхности распределения амплитуд гармонических составляющих была разработана программа в системе MatLab. При этом были созданы матрицы параметров гармоник и координат точек, нанесенных на поверхность образца. По значениям матриц производилась интерполяция с помощью функции griddata [99]. На рисунке 3.5.4 показаны картины распределения амплитуд 1- и, 2- и, 3- и и 5- и гармоник вдоль поверхности плоского нагруженного образца из стали 16ГС с концентратором напряжения в виде бокового пропила. В ненагруженном состоянии образца изменения амплитуд гармонических составляющих незначительны. Значительные изменения присутствуют у краев пропила, что связано с влиянием краевого эффекта. Причем амплитуды различных гармоник по-разному реагируют на неоднородности поверхности и внутренней структуры образца. После приложения нагрузки отклик в зоне зарождения трещины присутствует у всех гармоник.

.фах напряжения. Более того, в ряде случаев наблюдалось растворение таких концентраторов напряжения, как риски в очаге разрушения, а трещины зарождались в стороне от них. Данный факт, очевидно, может быть объяснен тем, что критические напряжения, необходимые для протекания КР, имеют небольшие значения и находятся ниже величин расчетных рабочих напряжений в стенке трубы, однако даже таких напряжений, сопровождающихся воздействием электрохимического фактора, бывает достаточно для разрыва межатомных связей. Этому также способствуют внутренние напряжения первого и второго рода, возникающие при производстве труб и сооружении трубопроводов.

Использование указанных моделей для прогнозирования долговечности реальных магистральных трубопроводов в условиях МКУ затруднено. Это связано, с одной стороны, с тем. что модель Коффина - Мэнсона, позволяющая прогнозировать усталостную долговечность при наличии геометрических концентраторов напряжения, не пригодна для описания стадии распространения

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжения. Чувствительность он к концентраторам напряжений

Обычно при определении запаса прочности учитывают степень надежности материала, точность расчетной схемы, степень динамичности нагрузки и величину возможной перегрузки, степень ответственности детали, условия работы детали, наличие концентраторов напряжения и т. д. Количество учитываемых факторов и соответствующих им частных коэффициентов колеблется от одного до десяти.

кой привлеки короозионных трещин к имеющийся геометрическим концентраторам напряжения (сварные швы, задиры, царапины), что отличает данный вид разрушения от коррозионной малоцикловой усталости (на МТ зарождается и разливается только в концентраторах напряли. -ния). Более того, в ряде случаев наблюдалось растворение таких концентраторов напряжения, как риски в очаге резрушения (МГ "Урен гой - Ц^нтр I"), и трещины зарождались в стороне от концелтрато-ров. Данный факт, очевидно, может быть объяснен тем, что критические напряжения, необходимые для протекания этого вида коррози-онно - механического разрушения - КР, имеют небольшие значения и находятся ниже величин расчетных рабочих напряжений в стенке трубы (не превышают предела текучести стали). Следует отметить, что при расчете МТ не учитываются внутренние напряжения первого и второго рода, возникающие при производства труб, к.торые, как это было показано в УГНТУ, имеюа достаточно высокие значения. Поэтому трещины зарождаются в очаге разрушения бее видимых дефектов на меаалле , имеющем достаточный уровень напряжений для протекания КР (физические каиэнтраторь напряжения).

Как видно иэ таблицы, отсутствует взаимно одновначное соответствие количественного содержания СВ в стали с эффективными скоростями роста трещин. Вместе с тем. явно просматривается существенно более высокие значения скоростей роста трещин на сталях контролируемой прокатки групп прочности Х70, поставляемы*, по импорту. Данный факт может быть объяснен тем, что с увеличение») прочности таких сталей даже небольшое количество неметаллических включений может привести к образованию внутренних концентраторов напряжения и, соответственно, уменьшить стойкость стали к распространению трещин, развивающихся, очевидно, вследствие превалирования механического фактора. Это подтверждает ранее высказанную мысль о малом вкладе электрохимического фактора в раввитие КР не таких сталях.

ческой труба испытывает циклически изменяющуюся нагрузку с широким спектром частот. При этом, кроме высокочастотной составляющей спектра, обусловленно. работой компрессорных станций, присутствуют низкочастотные колебания, возникающие в результате изменения температуры стенки трубы, биений, изменения режимов перекачки и т. д.. что может вызва1., малоцикловую коррозионную усталость труб (МКУ). Причем корровионно - усталостные трещины имеют жесткую привязку к концентраторам напряжения в виде царапин, вмятин, сварных швов и т.д. Вместе с тем явление КР проявляется при оиеиифическом воздействии карбонат - бикарбонатной среды, катодной поляризации и статически приложенных нагрузок на участках трубопровода с поврежденной изоляцией. Причем в результате изучения очагов разрушения по причине КР не наблюдалось привязки трещин к концентраторам напряжения, хотя по своей топографии трещины КР и коррозионной усталости близки. Более того, в ряде случаев в очагах разрушения наблюдалось даже растворение концентраторов напряжения в виде царапин. Несмотря на этот очевидный факт вопрос о КР как о самостоятельном явлении продолжает оставаться открытым. Поэтому в целях идентификации явления КР, в лабораторных условиях УГНТУ и были проведены МКУ исследования на образцах труиной стали 17Г1С в карбонат - бикарбонатной среде.

Коррозионно - усталостные испытания проводились в растворе 1 в. МаНСОэ + 1 н. КааСОд при коэффициенте асимметрии цикла К близком к нулю, на образцах с V - образным надрезом глубиной 1 мм. с частотой нагружения 1 Гц, на воздухе и в модельной среде как без поляризации, так и при наложении поляризации величиной минус 0,82. 0,70. 0,62 В (ХСЭ), при уровне деформации 0.21Х. Выбор ука-канного уровня деформации был обусловлен наличием геометрических концентраторов напряжения на поверхности реальных труб, в которых, в соответствии с результатами проведенных авторами исследований (см. рис. 2.2), наблюдается высокая механохимическая актив-пост! стали в указанной сред*» при напряжениях, превышающих предел текучести. Коэффициент интенсивности напряжения равяитывалс). р соответствии с общепринятой методикой. Подбор эмпирических коэф-фш'иентов уравнения Пэриса проводился с помощью анализа 27...49 экспериментальных точек на каждую кривую на ЭВМ методом наименьших квадратов. При этом была обнаружена высокая степень корреляции (по параметру т) с результатами исследований, нроведеннкх !.а-

Измерители остаточного магнитного поля. Определением областей спонтанной намагниченности можно не только выявлять места с предполагаемыми нарушениями сплошности, но и прогнозировать эксплуатационную стойкость конструкций. Области спонтанной намагниченности возникают в зонах максимальных внутренних напряжений, вызванных одновременным действием внутреннего давления среды, самокомпенсации температурных расширений и наличием конструктивных концентраторов напряжения. Прибор МФ-23Ф позволяет измерять разность значений магнитной индукции от -2 до +2 мТл с допускаемой основной относительной погрешностью до ±5 %.

Измерители остаточного магнитного поля. Определением областей спонтанной намагниченности можно не только выявлять места с предполагаемыми нарушениями сплошности, но и прогнозировать эксплуатационную стойкость конструкций. Области спонтанной намагниченности возникают в зонах максимальных внутренних напряжений, вызванных одновременным действием внутреннего давления среды, самокомпенсации температурных расширений и наличием конструктивных концентраторов напряжения. Прибор МФ-23Ф позволяет измерять разность значений магнитной индукции от -2 до +2 мТл с допускаемой основной относительной погрешностью до ±5 %.

Влияние усталостной прочности металла и, следовательно, надежность и долговечность детали машин или конструкции зависят от многих факторов, еще недостаточно полно изученных. Основными из них являются условия нагружения и величины рабочих и остаточных напряжений, а также наличие у деталей концентраторов напряжения. Все их необходимо учитывать при проектировании машин и механизмов. Это свидетельствует о наличии возможности повышения долговечности многих деталей за счет придания им соответствующей формы увеличением радиуса галтелей, более плавных переходов в размерах сечения, применения разгружающих канавок, повышенной чистоты обработки поверхности и т. д.