Малоциклового повреждения

Следует отметить, что подавляющая часть повреждений, не связанных с дефектами строительно-монтажного происхождения и воздействием внешних факторов магистральных трубопроводов, транспортирующих жидкие углеводороды, обусловлена, в первую очередь, возникновением и развитием усталостных трещин. Отмеченные выше циклические деформации в металле труб, возникающие за счет изменения давления и температуры перекачиваемого продукта для указанной группы трубопроводов, соответствуют критериям малоциклового нагружения, а в присутствие коррозионных сред вызывают малоцикловую коррозионную усталость металла (МКУ).

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-

В настоящее время, например, трубы нефтепроводов рассчитывают лишь на прочность от действия статических нагрузок, без учета временных факторов разрушения. Между тем нефтепроводы работают в режиме малоциклового нагружения, которое в десятки раз ускоряет процессы повреждаемости металла труб в зоне дефектов и конструктивных концентраторов напряжений. Кроме того,

Выше рассмотренные критерии в основном относятся к статическим нагружениям. В некоторых случаях испытания проводятся циклическим давлением. Нестационарность на-гружения приводит к накоплению повреждений в металле и усталостному разрушению. Для трубопроводов характерна малоцикловая усталость [13], ускоряемая наличием коррозионных сред. Рассмотрим основные закономерности разрушения в условиях малоциклового нагружения.

При оценке долговечности, например, в условиях малоциклового нагружения, важно знать коэффициент концентрации напряжений.-

Пример 3. Определить ресурс сосуда с исходными данными примера 2, но работающего в условиях малоциклового нагружения при отнулевом цикле: Ртах = РР, Ртт = 0. Коэффициент концентрации напряжений ас=2,2. По данным механических испытаний относительное сужение образца на растяжение до разрушения составляет: \1/-0,55. По формуле (6.5) определяем коэффициент концентрации пластических деформаций: К?= 2,38.

Предназначена для оценки сроков службы оборудования, работающего в условиях статического и малоциклового нагружения по параметрам гидравлических испытаний и эксплуатации. Испытания проводятся в соответствии с требованиями нормативных документов [5]. Целесообразно совмещение испытаний с контролем металла методом акустической эмиссии.

сосудов в условиях малоциклового нагружения

сосудов в условиях малоциклового нагружения

При испытаниях образцов в условиях малоциклового нагружения на воздухе при нормальных температурах для низкоуглеродистых (СтЗ, 10, 20, 22 К и др.) и низколегированных сталей (16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С и др.) константа тц=0,5. Понижение температуры испытаний до -40°С способствует увеличению тц до 0,59, что соответствующим

где tp и Np - соответственно прогнозируемый ресурс безопасной эксплуатации и число циклов до разрушения сосуда в условиях малоциклового нагружения и коррозионных сред. Величины tp и Np определяются по формулам (6.3) и (6.29).

Все большее распространение начинают получать специальные тензорезисторы как датчики усталостного повреждения конструкций, работающих в условиях малоциклового нагружения.

При этом предполагается, что в зонах концентрации напряжений, где, как правило, происходят малоцикловые разрушения, накапливаются в основном усталостные повреждения в результате действия знакопеременных упругопластических деформаций. Вместе с тем в эксплуатационных условиях в результате работы конструкции на нестационарных режимах, в том числе при наличии перегрузок, возможно накопление односторонних деформаций, определяющих степень квазистатического повреждения и влияющих на достижение предельных состояний по разрушению. Для обоснования методологии учета накопления конструкцией (наряду с усталостными) квазистатических повреждений по результатам тензометрических измерений требуется решение прежде всего вопросов расшифровки показаний датчиков с целью воспроизведения истории нагруженности в максимально напряженных местах конструкции и оценки малоциклового повреждения для эксплуатационного контроля по состоянию. Малоцикловое повреждение может в общем случае оцениваться по результатам измерений, выполненных обычными тензорезисторами, но с расширенным диапазоном регистрируемых деформаций (до величин порядка нескольких процентов), характерных для малоцикловой области нагружений. Исследование [20] выполнялось в Московском инженерно-строительном институте и Институте машиноведения на базе разработанных в лаборатории автоматизации экспериментальных исследований МИСИ специальных малобазных тен-зорезисторов больших циклических деформаций. Аппаратура и методика эксперимента подробно описаны в [229]. На серийной испытательной установке УМЭ-10Т с тензометрическим измерением усилий и деформаций, а также крупномасштабным диаграммным прибором осуществлялось циклическое нагружение цилиндрических гладких образцов по заданному и, в частности, нестационарному режиму. Одновременно соответствующей автоматической аппаратурой производилась регистрация истории нагружения с помощью цепочек малобазных тензорезисторов, наклеенных на испытываемый образец. Сопоставление показаний тензорезисторов с действительной историей нагружения и деформирования образца, регистрировавшихся соответствующими системами испытательной установки УМЭ-10Т, давало возможность определить метрологические характеристики датчиков и особенности их повреждения в условиях малоциклового нагружения за пределами упругости. Наиболее существенными особенностями работы тензорезисторов в условиях малоциклового нагружения оказываются изменение коэффициента тензочувствительности при высоких уровнях исходной деформации и в процессе набора циклов нагружения, уход нуля тензорезисторов и их разрушение через определенное для каждого уровня размаха деформаций число циклов.

Изложенные основы метода оценки малоциклового повреждения конструкции показывают, что необходимо следующее:

20. Бандин О. Л., Гусенков А. П., Шаршуквв Г. К. Основы метода оценки усталостного и квазистатического малоциклового повреждения конструкций с использованием тензорезисторов.— Машиноведение, 1977, № 5.

§ 6.2. Основы метода оценки усталостного и квазистатического малоциклового повреждения конструкций с использованием тензорезисторов .............. 265

Таким образом, с точки зрения возникновения малоциклового повреждения наибольшую опасность представляют дефекты (особенно их скопление) в зоне корня шва, в то время как дефекты протяженностью 1,0—3,5 мм, расположенные вне корневой зоны, не получают заметного развития.

Увеличение времени выдержки, а следовательно, длительности цикла приводит к уменьшению долговечности, так как при этом доля усталостного повреждения уменьшается, а статического увеличивается. При времени выдержки в цикле 15 с формирование предельного малоциклового повреждения происходит в зоне концентрации напряжений, при времени выдержки 120 и 1200 с разрушение происходит в мембранной зоне.

Увеличение времени вьщержки, а следовательно, длительности цикла приводит к уменьшению долговечности, так как при этом доля усталостного повреждения уменьшается, а статического увеличивается. При времени вьщержки в цикле 15 с формирование предельного малоциклового повреждения происходит в зоне концентрации напряжений, при времени вьщержки 120 и 1200 с разрушение происходит в мембранной зоне.

За характерный период эксплуатации в опасных зонах конструктивного элемента возникают различные виды повреждений: малоцикловое усталостное (длительное малоцикловое усталостное) и квазистатическое (длительное статическое), причем длительное малоцикловое усталостное и длительное статическое повреждения обусловливаются проявлением временных эффектов — ползучестью, релаксацией напряжений, деформационным охрупчиванием материалов и т. п. Предельное состояние по условиям прочности и малоцикловое разрушение материала определяются взаимосвязью и преимущественным влиянием того или иного вида повреждения в зависимости от удельного веса соответствующих этапов в режиме эксплуатации. В основном при циклическом неизотермическом высокотемпературном нагружении реализуется смешанный характер разрушения, когда основные виды малоциклового повреждения (усталостное и квазистатическое) сопоставимы.

4. Бандин О. Л., Гусенков А. П., Шаршуков Г. К. Основы*" метод а оценки усталостного и квазистатического малоциклового повреждения конструкций с использованием тензорезисторов.— Машиноведение, 1977, № 5, с. 101—Ш2.

При анализе влияния на долговечность материала дополнительной составляющей повреждения от высокочастотной амплитуды деформации следует иметь в виду, что наличие этой деформации не только вносит, согласно уравнению (5.10), дополнительное усталостное повреждение dy2, но и изменяет кинетику основных низкочастотных характеристик деформирования, которые, в свою очередь, изменяют характер накопления основных составляющих малоциклового повреждения df и ds .