Малоцикловой неизотермической

5.1. Модели, используемые для прогнозирования малоцикловой коррозионной усталости

Приведенные результаты могут быть использованы для прогнозирования долговечности магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой коррозионной усталости.

Действующие строительные нормы и правила СНиП 2.05.06-85 не предусматривают расчета коррозионно-усталостной долговечности магистральных нефтепроводов, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой коррозионной усталости. Для оценки надежности магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях воздействия циклических нагрузок, совместно с Г.И. Насыровой был проведен расчет долговечности магистрального трубопровода для указанных условий. Расчет проводился в соответствии с РД 39-0147103-361-86 с учетом имеющихся на трубе концентраторов напряжений в виде заводских сварных соединений и их дефектов с допустимыми размерами, регламентируемыми указанными строительными нормами и правилами. В указанных условиях металл может работать в упругопластической области.

[64], исследуемый магистральный нефтепровод в условиях корро-зионно-усталостного нагружения не смог бы обеспечить работу в течение нормативного срока службы. Величины растягивающих кольцевых напряжений в рассмотренных случаях при внутренних давлениях Р = 5,5 МПа и Р = 4,8 МПа составляли 0,8 стт и 0,7ат соответственно. Итак, для магистральных нефтепроводов, работающих в условиях малоцикловой коррозионной усталости, может быть введено ограничение предельной величины кольцевых растягивающих напряжений, равное 0,7сгт [30]. Близкие значения величин кольцевых растягивающих напряжений оговорены в стандартах ряда зарубежных стран, например в Американском стандарте ASME B31.4 она составляет 0,72 <тт [107, 108]. Повышение рабочего давления выше указанного уровня при требовании обеспечения нормативного срока службы магистрального трубопровода возможно только в случае ужесточения отклонения геометрических размеров трубы и сварного соединения.

газообразных сред (нефть и нефтепродукты с остатками воды и коррозионно-активных агентов, окислители, вода с растворенными хлоридами, высокотемпературные газы и др.), следует сделать вывод о преимущественной их эксплуатации в условиях малоцикловой коррозионной усталости.

Сильфоны УЧЭ КИП и А газопромыслового и газоперерабатывающего оборудования по конструкции аналогичны ГМР и компенсаторам и изготавливаются обычно из прецизионных диспер-сионно-твердеющих сплавов аустенитного класса типа 36НХТЮ, 68НХВКТЮ и др., обладающих особыми упругими свойствами. Благодаря особенностям геометрической формы и служебному назначению, они способны совершать значительные низкочастотные пе,; мещения под действием осевой или поперечной сил и изгибающего момента в присутствии сред, содержащих сероводород, углекислый газ и хлориды, то есть также работают в условиях малоцикловой коррозионной усталости. Причем микротопографический и фрактографический анализы вышедших из строя сильфонов УЧЭ, выполненные в УГНТУ на растровом электронном микроскопе РЭМ-200, показали, что отчетливо выраженные участки питтинговок коррозии и их плотность значительно выше во впадинах и выступах гофр. Это, по-видимому, связано с неравномерным распределением остаточных напряжений по профилю гофры при ее формировании. Определенные там же на рентгеновском аппарате УРС-55 (совместно с Д.Е. Бугаем) технологически унаследованные остаточные напряжения по профилю гофры сильфона в виде микроискажений кристаллической решетки (Ad/d) металла показаны на рис. 42. Видно, что действительно распределение остаточных напряжений характеризуется резкой их неоднородностью в областях выступов и впадин гофр, то есть там, где металл в процессе изготовления сильфона был подвергнут максимальным остаточным пластическим деформациям (аналогичное распределение наблюдалось нами и по профилю ГМР). В процессе эксплуата-

Таким образом, одним из основных факторов, определяющих надежность и долговечность ГМР, компенсаторов и сильфонов УЧЭ КИП и А, является совместное действие низкочастотных переменных механических напряжений и коррозионно-активной среды, протекающее по критериям малоцикловой коррозионной усталости.

В связи со все возрастающей напряженностью работы газопромыслового и газоперерабатывающего оборудования, усилением коррозионной активности продукции газовых и газоконденсатных месторождений необходим целенаправленный выбор материалов для его изготовления, в том числе — для изготовления сильфонов УЧЭ КИП и А, работающих, как уже указывалось, в условиях малоцикловой коррозионной усталости. Однако при расчетных оценках долговечности сильфонов до настоящего времени не учитывается влияние коррозионно-механического фактора, оказывающего большое воздействие на их работоспособность. Поэтому были проведены исследования МКУ долговечности дисперсионно-твердеющих сплавов аустенитного класса 36НХТЮ, 68НХВКТЮ и 40НКХТЮМД, обладающих повышенной упругостью и широко использующихся для изготовления сильфонов. При этом учитывались реальные условия их эксплуатации, устанавливались сроки их работы и выбирались оптимальные по составу и долговечности материалы.

7.4. Исследование механизма малоцикловой коррозионной усталости ТГО

Процессы малоцикловой коррозионной усталости на сплаве титана ВТ1-0 в целом протекают по такому же механизму, как и у стали 18-10, несмотря на различную природу материалов, хотя это различие и сказывается на конкретном ходе зависимостей. Так, максимальные значения уровня микродеформаций здесь достигаются при много меньших числах циклов нагружения, чем на стали 18-10, а их абсолютные величины почти в 2 раза выше. Это приводит к относительно раннему коррозионно-усталостному разрушению сплава, причем на воздухе его усталостная долговечность примерно в 1,5 раза выше, чем в электролите, но и в том, и в другом случае титан обладает значительно более низкой усталостной долговечностью по сравнению со сталью 18-10 (почти на порядок). Такое поведение технического титана можно объяснить следующим. Известно, что по своим термодинамическим свойствам титан является химически активным металлом. Однако на его поверхности очень интенсивно образуется тонкая оксидная пассивирующая пленка, отличающаяся более высокой, чем у других металлов, устойчивостью. При этом электрохимическими исследованиями установлено, что титан подвергается сильному химическому действию только в тех средах, в которых защитный слой пленки разрушается и не восстанавливается. В нашем случае в условиях усталостного малоциклового нагружения в связи с развитием больших микропластических деформаций (максимальных ла поверхности)' хрупкая оксидная пленка разрушается и открывается доступ кислорода воздуха или электролита при коррозионной усталости к термодинамически неустойчивой матрице основного металла. Даже кислород, резко снижая пластичность титана, способствует значительному падению усталостной долговечности на воздухе по сравнению со сталью 18-10. Это подтверждается микротопографи-

8. Абдуллин И.Г., Бугай Д.Е. Гареев А.Г. Механизм малоцикловой коррозионной усталости материалов гибких металлорукавов /'/ Резервы повышения надежности оборуд. нефтеперерабат. и неф-техим. пром-сти. Уфа, 1982. С. 170-181.

• Расчет суммарного повреждения для режимов неизотермического нагружения типов, показанных на рис. 1.3.1, а — г, в форме деформационно-кинетического критерия (уравнение 1.3.1) показывает вполне удовлетворительное соответствие данных деформационно-кинетическому критерию длительной малоцикловой неизотермической прочности (рис. 1.3.3). Величина суммарного повреждения укладывается в полосе разброса от 0,5 до 1,5, что свидетельствует о возможности использования для расчета прочности при неизотермическом нагружении предлагаемого критерия.

В условиях неизотермического нагружения, когда полуцикл растяжения протекает в высокотемпературной части цикла нагрева, особенно повышается роль пластичности. Показательны в этом отношении данные, приведенные на рис. 3, б и полученные в разных контрастных условиях неизотермического нагружения. Например, сравнение кривых 5 и 6 на рис. 3, б показывает, что более сильное охрупчивание сплава при 973 К приводит к существенному (до трех раз) снижению долговечности в сравнении с аналогичными данными для температурного режима с максимальной температурой 1133 К. Характерно, однако, что уровень располагаемой пластичности, по-видимому, на сопротивление малоцикловой усталости влияет незначительно, если полуцикл сжатия механического нагружения приходится на диапазон высокотемпературной части термического цикла нагрева. Об этом свидетельствует близость данных по малоцикловой неизотермической усталости (см. рис. 3, б, кривые 1—4).

деформирования. Эффект проявляется в виде существенного формоизменения и образования (для образцов) характерных зон «шейки» и «бочки» при заметном снижении сопротивления малоцикловой неизотермической усталости.

Степень суммарных повреждений определяли из уравнения (2.1). Повышенный разброс данных для сплава ХН56МВТЮ (рис. 2.24, в) можно объяснить меньшей деформационной способностью этого сплава и большим разбросом результатов испытаний на малоцикловую и термическую усталость. Указанный диапазон разброса суммарных повреждений соответствует весьма малому рассеянию данных по долговечности, что, учитывая различие механических свойств исследуемых сплавов, подтверждает возможность деформационной трактовки условий малоцикловой неизотермической прочности для различных уровней температур и режимов нагружения [ 2,3].

Степень суммарных повреждений определяли из уравнения (2.1). Повышенный разброс данных для сплава ХН56МВТЮ (рис. 2.24, в) можно объяснить меньшей деформационной способностью этого сплава и большим разбросом результатов испытаний на малоцикловую л термическую усталость. Указанный диапазон разброса суммарных повреждений соответствует весьма малому рассеянию данных по долговечности, что, учитывая различие механических свойств исследуемых сплавов, подтверждает возможность деформационной трактовки условий малоцикловой неизотермической прочности для различных уровней температур и режимов нагружения [ 2, 3 ] .

Анализ кривых малоцикловой неизотермической усталости (рис. 2.5) для сплава ХН73МБТЮВД показывает, что сопротивление разрушению существенно зависит от температуры. При увеличении температуры испытания заметно снижается сопротивление малоциклов'ому разрушению. Например, при деформации е=1% с повышением температуры от 200 до 860° С (кривые /, 3) происходит снижение долговечности на порядок. Это означает, что в условиях неизотермического малоциклового нагружения скорость накопления повреждений при минимальных температурах цикла оказывается существенно ниже, чем при максимальных температурах цик-

В условиях неизотермического нагружения, когда полуцикл растяжения совпадает с высокотемпературной частью цикла нагрева, особенно значительна роль пластичности (рис. 2.6, б). Сравнение показывает (прямые 14 и ./5), что имеется четкая корреляция между располагаемой пластичностью сплава при 700° С и сопротивлением малоцикловой усталости в условиях неизотермического нагружения; охрупчивание сплава при 700° С обусловливает заметное (в 2—3 раза) снижение долговечности. В то же время совпадение данных по малоцикловой неизотермической усталости (10 ... 13), полученных в разных диапазонах температур термического цикла и при различных режимах программированного малоциклового нагружения, показывает, что снижение пластичности, по-видимому, не влияет существенно на сопротивление малоцикловой усталости, если полуцикл сжатия соответствует высокотемпературной части термического цикла.

Зависимости, определяющие условия формирования предельного состояния материала в опасных зонах детали. Одним из важных направлений исследований малоцикловой неизотермической прочности является изучение условий формирования предельного состояния материала в опасных объемах детали. Эту задачу следует рассматривать в комплексе исследований, проводимых, с одной стороны, с целью обоснованного выбора критерия малоцикловой прочности, а с другой, изучения закономерностей для аналитического описания процесса достижения предельного состояния по условиям разрушения в зависимости от режимов термомеханическо-

Значение А изменяется в пределах 0...1. При Я=0 влияние усталости не проявляется, поскольку jf^t/ и Nf=l, что соответствует режиму длительного статического нагружения. Для циклов малой длительности (/ц=1), характерных для пилообразного режима изменения температуры при испытаниях на термическую усталость, Я-»-1, а сопротивление термической усталости сближается с сопротивлением малоцикловой неизотермической усталости.

В случае сложных режимов неизотермического малоциклового нагружения при чередовании циклических малоцикловых нагрузок с длительными выдержками достижение предельного состояния определяется взаимодействием и взаимосвязью различных видов повреждений, существенно интенсифицирующих процесс накопления предельного повреждения. По-видимому, для малоцикловой неизотермической усталости, учитывая свойства материалов и неизотер-мичность процесса нагружения, связь усталостного а/ и длительного статического at поврежденный для режима термоусталостного нагружения с выдержками при Гтах оказывается (как установлено Баландиным с.сотрудниками) сложной:

Расчет суммарного повреждения для режимов (см. рис. 2.46, а... ...г) неизотермического нагружения ,[17] (в том числе при испытаниях, когда возможно .накопление больших повреждений как усталостных, так и квазистатических, а также для режимов с максимальным повреждающим эффектом) показывает удовлетворительное соответствие экспериментальных данных (расчетным, полученным по деформационно-кинетическому критерию длительной малоцикловой неизотермической прочности (рис. 2.47).

На рис. 2.53, а приведены характеристики термоусталостной прочности жаропрочного сплава для разных видов напряженных состояний, причем совпадение расчетных и опытных данных хорошее. Таким образом, сопоставление результатов испытания трех жаропрочных аустенитно-ферритных сталей в режиме термоусталостного нагружения 650. ..250° С при одноосном напряженном состоянии и чистом сдвиге позволяет сделать вывод о возможности оценки опасности разрушения при малоцикловой неизотермической усталости с помощью энергетической теории прочности.