Развитого поверхностного

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).

Если при статических нагрузках состояние рабочих поверхностей незначительно влияет на их прочность, то при циклических нагрузках разрушение деталей связано с развитием усталостных трещин, возникающих в поверхностном слое. Развитию этих трещин способствует шероховатость поверхности в результате механической обработки. При расчетах это явление учитывается коэффициентом влияния шероховатости поверхности

При техническом обслуживании оборудования контроль производят с применением инструментальных средств неразрушающего контроля. Чаще проверяют высоконагруженные и другие ответственные детали и узлы. При большой наработке в связи с появлением и развитием усталостных и термических трещин, коррозионных и эрозионных поражений и расслоений предусматривается увеличение числа контролируемых деталей, узлов и агрегатов и усиление тщательности и частоты проверок, внедрение комплексного неразрушающего контроля с использованием нескольких дополняющих друг друга методов. Эксплуатационный контроль в основном производят портативньми, переносными и передвижными дефектоскопами. Повышение надежности функционирования оборудования достигается применением встроенных систем диагностики наиболее ответственных и нагруженных деталей и узлов.

Учебное пособие написано в рамках чтения лекций в МГТУ им. Н.Э. Баумана по курсу «Конструкционная прочность машиностроительных материалов» на факультете «Машиностроительные технологии» (кафедра «Материаловедение») и предназначено для студентов, обучающихся на материаловедов и машиностроителей. Среди механических свойств конструкционных металлических материалов усталостные характеристики занимают очень важное место. Известно, что долговечность и надежность машин во многом определяется их сопротивлением усталости, так как в подавляющем большинстве случаев для деталей машин основным видом нагружения являются динамические, повторные и знакопеременные нагрузки, а основной вид разрушения - усталостный. В последние годы на стыке материаловедения, физики и механики разрушения сделаны большие успехи в области изучения физической природы и микромеханизмов зарождения усталостных трещин, а также закономерностей их распространения. Сложность оценки циклической прочности конструкционных материалов связана с тем, что на усталостное разрушение оказывают влияние различные факторы (структура, состояние поверхностного слоя, температура и среда испытания, частота нагружения, концентрация напряжений, асимметрия цикла, масштабный фактор и ряд других). Все это сильно затрудняет создание общей теории усталостного разрушения металлических материалов. Однако в общем случае процесс усталости связан с постепенным накоплением и взаимодействием дефектов кристаллической решетки (вакансий, междоузельных атомов, дислокаций и дискли-иаций, двойников, границ блоков и зерен и т.п.) и, как следствие этого, с развитием усталостных повреждений в виде образования и распространения микро - и макроскопических трещин. Поэтому явлению усталостного разрушения присуща периодичность и стадийность процесса, характеризующаяся вполне определенными структурными и фазовыми изменениями. Такой анализ накопления структурных повреждений позволяет отвлечься от перечисленных выше факторов. В учебном пособии кратко на современном уровне рассмотрены основные аспекты и характеристики усталостного разрушения металлических материалов.

Подавляющее число деталей машин, оборудования для добычи, транспорта, хранения и переработки нефти и газа в процессе эксплуатации подвергаются воздействию циклически изменяющихся нагрузок. Поэтому примерно 9055 повреждений связано с возникновением и развитием усталостных трещин, которыа-создавт предпосылки для крупного разрушения, и в этом одна из главных причин их опасности.

При техническом обслуживании оборудования контроль производят с применением инструментальных средств неразрушающего контроля. Чаще проверяют высоконагруженные и другие ответственные детали и узлы. При большой наработке в связи с появлением и развитием усталостных и термических трещин, коррозионных и эрозионных поражений и расслоений предусматривается увеличение числа контролируемых деталей, узлов и агрегатов и усиление тщательности и частоты проверок, внедрение комплексного неразрущающего контроля с использованием нескольких дополняющих друг друга методов. Эксплуатационный контроль в основном производят портативными, переносными и передвижными дефектоскопами. Повышение надежности функционирования оборудования достигается применением встроенных систем диагностики наиболее ответственных и нагруженных деталей и узлов.

Влияние качества обработки поверхностей деталей. При статических нагрузках качество обработки рабочих поверхностей деталей оказывает незначительное влияние на их прочность. При циклических нагрузках разрушение деталей связано с развитием усталостных трещин, возникающих в поверхностном слое. Развитию этих трещин способствует возникшая в результате механической обработки детали шероховатость поверхности в виде рисок, царапин, следов резца и т. п., которые являются концентраторами напряжений. С увеличением шероховатости поверхности предел выносливости снижается, что учитывается коэффициентом влияния шероховатости поверхности Кр, представляющим собой отношение предела выносливости <^IF(T-IJ-) образца с данной шероховатостью поверхности к пределу

Процесс накапливания микро- и макропластических деформаций в ходе малоциклового нагружения, а также соотношение между скоростью накапливания деформаций и развитием усталостных повреждений зависят от большого количества факторов, связанных с условиями нагружения и с состоянием металла.

Подавляющее большинство деталей машин, транспортных и других конструкций в процессе службы претерпевает воздействие циклически изменяющихся нагрузок. Поэтому примерно 90% -повреждений деталей связано с возникновением и развитием усталостных трещин. Трещины усталости создают предпосылки для хрупкого разрушения, и в этом одна из главных причин их опасности. Ни при каких других видах разрушения характеристики прочности не зависят от такого большого числа факторов, как при усталостном разрушении. Основными из них являются: особенности материала и технологии изготовления; конструкция деталей; режим нагружения; среда, контактирующая с деталью.

поверхность изнашивания и, как следствие этого, отсутствием направленной шероховатости на этой поверхности; упругим и пластическим деформированием поверхностного слоя с последующим развитием в нем соответствующих температурных изменений, фазовыми и структурными превращениями, наклепом и термомеханическим упрочнением; развитием усталостных явлений и др.

В процессе циклического деформирования образцов с помощью микроскопа с 300-кратным увеличением вели наблюдение за появлением и развитием усталостных трещин на полированных боковых поверхностях. Это позволило получить зависимости долговечности до появления усталостной трещины от уровня амплитуды напряжений, а также длины нераспространяющихся усталостных трещин ов образцах различных размеров.

жидкости в тех же условиях. Эту область режимных параметров называют областью развитого поверхностного кипения,

а температуру основной массы жидкости, при которой практически прекращается рост температуры стенки, — температурой начала развитого поверхностного кипения и обозначают символом tH.K.

Как видно из рис. 9.5, б, в области развитого поверхностного кипения разность tCT—t-a практически не зависит от недогрева основной массы жидкости. Поэтому коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по этой разности, на всем протяжении рассматриваемой 9* 259

Если вся масса жидкости, 'Поступающей в трубу парогенератора, прогревается .до температуры насыщения, то по ходу потока значение коэффициента теплоотдачи (как и при кипении в большом объеме) меняется от значения, устанавливающегося при заданной скорости в однофазной среде, до значения при развитом пузырьковом, кипении насыщенной жидкости. Закономерность изменения коэффициента теплоотдачи по длине парогенератора a=f(x) для данной жидкости при фиксированном давлении зависит от соотношения между скоростью ларообразования ^/(/"р"), скоростью циркуляции ш0 и недогревом жидкости на входе в трубу. Д^нед. Наиболее простой вид функции а от х наблюдается при высоких давлениях, когда изменение температуры насыщения по ходу потока пренебрежимо мало. При низких давлениях суммар* ное сопротивление, обусловленное трением и ускорением смеси, при определенных соотношениях режимных параметров оказывается соизмеримым с абсолютным давлением в системе. При этом температура насыщения по ходу потока заметно понижается, в связи с чем закон изменения tCT, а следовательно, и коэффициента теплоотдачи а по длине трубы может существенно отличаться от зависимостей tc-r=f(x) и a—f(x), устанавливающихся, при высоких давлениях. Обеднение теплоотдающей поверхности активными зародышами паровой фазы при понижении давления также влияет на вид функции tCT от х. В этих условиях влияние скорости оказывается более значительным и переход от области конвективного теплообмена в однофазном потоке к области развитого поверхностного кипения происходит на участке трубы большей длины.

На рис. 9.6, а показано распределение по длине трубы температуры стенки ^ст, среднемассовой температуры жидкости tm, рассчитанной по уравнению (9.1), и действительной ее температуры ^ш.д (ориентировочно проведенная пунктирная линия) при существенном недогреве воды до температуры насыщения на входе в трубу [190]. Аналогичные зависимости, полученные при поверхностном кипении воды в кольцевом канале, представлены на рис. 9.6,6 [191]. На этих рисунках точками А определяется сечение канала, в котором температура, стенки равна температуре насыщения, точками Б — сечение, в котором температура стенки достигает максимального значения, а температура потока — температуры начала развитого поверхностного кипения ^н.к-

Между сечениями трубы Б и В (рис. 9.6, б) вся масса жидкости прогревается до температуры насыщения (область развитого поверхностного кипения). На этом участке коэффициент теплоотдачи, определенный по разности температур стенки и жидкости •аж = <7/(^ст—^к), резко увеличивается до значения а при кипении насыщенной жидкости (рис. 9.7 и 9.8). Из этих графиков видно, что при развитом поверхностном кипении как при внутреннем, так .и при внешнем обогреве коэффициент теплоотдачи не зависит от :ширины кольцевого канала.

Если для расчета а использовать разность между температурой «стенки и температурой насыщения ан=<7/(^ст—ts), то значение это-то коэффициента теплоотдачи на всем протяжении области развитого поверхностного кипения остается постоянным.

ваемых-режимах понижение температуры стенки оказывается более значительным по сравнению с понижением температуры насыщения по длине трубы. Так, например, в опыте, иллюстрируемом кривой 5, температура стенки па участке трубы длиной 520 мм понижается на 10°С. Для такого понижения температуры насыщения давление должно было бы понизиться на 0 04 МПа ^регистрированное в этом опыте падение давления было существенно меньше. Следовательно, ко-эффициенты теплоотдачи а„, рассчитанные по температуре насыщения, при таких режимах также увеличиваются по ходу потока, чего не наблюдается при высоких давлениях (или при больших недогревах в условиях низких давлений). Протяженность переходной зоны от области конвективного теплообмена в однофазной среде к области развитого поверхностного кипения для данной жидкости зависит от соотношения между режимными параметрами (р, w0, А^Нед, q, d). При высоких давлениях длина переходной зоны очень мала, в то время как при низких переходная зона может занимать значительную часть поверхности парогенериру-ющей трубы.

да развитого поверхностного кипения tH.K. На участке от входа до •сечения, в котором температура потока становится равной температуре /н.к, коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формулам конвективного теплообмена в однофазной среде. За этим сечением (если пренебречь возникновением переходной зоны при некоторых режимах в условиях низких давлений) коэффициент теплоотдачи можно рассчитывать по формулам, установленным для кипящих жидкостей, например по формуле (8.10) при соблюдении услвия (8.11). В данном случае в эти формулы можно подставлять непосредственно скорость циркуляции WQ.

Температуру начала развитого поверхностного кипения для воды в интервале давлений от 5 до 20 МПа можно определить по эмпирической формуле [190]*

Температуру начала развитого поверхностного кипения можно определить по обобщенной формуле [179]**