Строительные исследования

назад Оглавление вперед

страница - 0

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТАЛИ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ НИЗКОЧАСТОТНОЙ УСТАЛОСТИ

Крыжанивский Е. И., Побережный Л. Я. (liberty@ifdtung.if.ua) Ивано-Франковский государственный техуниверситет нефти и газа, г. Ивано-Франковск

Для оптимального проектирования морских трубопроводов, обычный срок службы которых составляет 20...30 лет, весьма важным является прогнозирование поведения стали трубопровода при низкочастотном малоцикловом и многоцикловом нагружении. [1-3].

Усталостные испытания на воздухе при температуре 293 К проводили на установке МВ-1К по схеме нагружения чистым изгибом при частоте вращения образца 0,8 Гц [4]. Установку также использовали для статических и повторно-статических испытаний.

Образцы-модели из стали 20 диаметром рабочей части dj, = 5 мм и расчетной длиной 1р = 50 мм изготовляли по разработанной в ИФГТУНГ технологии из стенок линейной части трубопровода. Окончательная механическая обработка рабочей части образцов - чистовое точение. Частота нагружения (0,8 Гц) и база испытаний (107 циклов) выбраны на основании всестороннего анализа проблемы низкочастотного усталостного разрушения морских трубопроводов [1 , 5-7].

Исследование проводили в два этапа по разработанной методике [4,8].

На первом этапе изучали поведение стали трубопровода при статическом и повторно-статическом ступенчатом нагружении. Это позволило отследить на диаграммах изгиба (рис. 1, а) характерные

1 001 011 021 031 041 051 061 07 N

Рис. 1 - Диаграммы изгиба (а) и полная кривая усталости (б), построенные по результатам

испытаний образцов-моделей.

участки: ОА - упругой деформации; АВ - деформационного упрочнения; ВС - статической ползучести; О1А1 - упругой деформации при повторном изгибе. При увеличении нагрузки на одну ступень прирост номинального напряжения на участках ОА, АВ и О1А1 постоянно составлял До = 20 МПа, а время выдержки образца под нагрузкой Дt = 20 с. Такой режим нагружения позволяет учитывать отставание деформации от напряжения во времени и глубже изучать процессы деформационного упрочнения и ползучести.

Выявлено, что предварительное ступенчатое нагружение с выдержкой t3 при omax дает возможность при повторном нагружении получить близкие значения од2 та сдмц , что практически

превращает сталь трубопровода в упруго-идеально-пластический материал при остаточной деформации от первого изгиба Дед = 0,0012 (рис 1, а).

Результаты, полученные при указанных режимах статического нагружения, не являются неожиданными, однако по новому освещают проблему конструкционной надежности морских трубопроводов и указывают на исключительную актуальность исследований сталей трубопроводов при низкочастотном циклическом нагружении в широком диапазоне амплитуд напряжений и деформаций.

Основной задачей исследований на втором этапе являлось экспериментальное отрабатывание теории низкочастотной усталости для неоднородного напряженного состояния, используя деформационно-кинетическое трактование процесса [9].

На рис. 1, б представлено полную кривую низкочастотной усталости, начиная с одного цикла нагружения, которому отвечает разрушающее напряжение, близкое к пределу прочности оМц при

повторном статическом изгибе (рис. 1 , а).

В литературе, в основном, встречаются схематические изображения полных кривых усталости [1 0-1 2], которые не отображают поведения конкретного материала, в особенности, если моделируются сложные условия его эксплуатации в конструкции трубопровода.

При циклическом нагружении может происходить квазистатическое, малоцикловое и многоцикловое усталостное разрушение [1 2].

Квазистатическое разрушение с образованием шейки в месте излома вызывает циклическая ползучесть при испытаниях на растяжение-сжатие, если уровень приложенных напряжений существенным образом превышает предел текучести материала и реализуется мягкий режим малоциклового нагружения.

Малоцикловую усталость характеризуют такие специфические особенности [1 0, 1 3, 1 4]: уровень высоких напряжений (деформаций), что предопределяет долговечность материала до 5-104...2-105 циклов; низкая частота нагружения (0,1... 1 Гц); наличие контролируемого параметра (размаха нагружения или размаха деформации). Изломы низкочастотной малоцикловой усталости конструкционных материалов высокой и средней прочности имеют типичную усталостную зону.

Многоцикловое усталостное разрушение большинство исследователей относят к частотам нагружения 10...300 Гц [7, 9, 11, 13].

При интерпретации полной кривой усталости области многоцикловой и малоцикловой усталости, а также циклической ползучести (квазистатического разрушения) разграничивают за долговечностью и уровнем напряжений [1 0, 11 , 1 3].

Полная кривая низкочастотной усталости, построенная нами по результатам испытаний образцов-моделей, состоит из четырех характерных участков (рис. 1 , б).

На участке I наблюдали интенсивное накопление пластической деформации, начиная с первых циклов нагружения, которое можно охарактеризовать как циклическую ползучесть [9], в результате чего образцы лишь изгибались, а не разрушались с образованием поверхностей изломов.

Участок II отвечает малоцикловому низкочастотному деформированию и разрушению с образованием усталостного излома.

Участки I и II на кривой усталости отвечают уровням напряжений, которые находятся в упруго-пластической области, очерченной участком АВ (деформационного упрочнения) на диаграмме изгиба (рис. 1 ). Разграничение участков I и II экспериментально осуществить трудно. Наибольшая амплитуда напряжений, при которой еще имело место разрушение с образованием усталостного излома, составляла 498,9 МПа (рис. 2). При переходе от участка I к участку II на

кривой усталости наблюдали значительный перегиб, что можно связать с изменением механизма деформирования и разрушения [11,15].

Исследования изменения амплитуды пластической деформации образцов при циклическом нагружении на участке II (рис. 2, кривые 1,2) показали ярко выраженную стадийность процессов, которые протекают в такой последовательности:

1)интенсивное пластическое деформирование на протяжении первых 25... 150 циклов (рис. 3, кривые 1,2), происходящее в диапазоне амплитуд напряжений 450...499 МПа без существенного нагрева образцов от внутреннего трения (специфическая особенность низкочастотной усталости низкоуглеродистой стали);

2)замедление процесса пластического деформирования с асимптотическим приближением к предельному значению, зависящему от амплитуды напряжений, что является прямым подтверждением деформационного упрочнения поликристаллической структуры образцов (рис. 2, кривые 1 , 2);

3)стабилизация амплитуды пластической деформации (стадия насыщения, когда форма и ширина петли гистерезиса уже не изменяются [1 0]);

4)ускоренный рост магистральной усталостной трещины, то есть такой, которая при заданных условиях нагружения развивается с большей скоростью чем другие трещины [1 2] и является причиной окончательного разрушения образца.

	3	1
		}	2	.

				/
			.-г
Г

0.0024

0.0022 0.0020 0.0018 0.0016 0.0014 0.0012 0.0010

0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0000


			4 \
			-V







-

10000

20000 90000



		5 /

		\ /
		/
		I
		I
		I
		J
		1
		I
		J
		/
		/
		/
		У

100000

Рис. 2 - Изменение амплитуды пластической деформации при низкочастотной усталости стали

трубопровода.

амплитуды напряжений: 1 - 498,9; 2 - 450; 3 -412,6; 4 - 316,7; 5 - 250 МПа.

содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2]