Хладостойкость трубопроводов и резервуаров Севера после длительной эксплуатации

-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВЕДЕНИЕ.......................................................сггр.5
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ХЛАДОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ............................................стр .14
1.1. Методы оценки сопротивления хрупкому разрушению..........стр.14
1.1.1. Влияние температуры, скорости нагружения и технологических факторов на характеристики
трещиностойкости..........................................стр.28
1.2. Анализ предельных состояний элементов
металлоконструкций........................................стр.37
1.2.1. Критерии отказов и предельных состояний технических
систем и объектов.........................................стр.43
1.2.2. Критерии предельных напряженно-деформированных состояний материалов......................................стр.48
1.2.3. Анализ предельных состояний элементов конструкций стр.52
1.2.4. Основные и дополнительные типы предельных состояний...стр.58
1.2.5. Уравнения предельного состояния при проведении
расчетов на трещиностойкость..............................стр.63
1.3. Деформационные критерии механики разрушения..............стр.66
ГЛАВА 2. КАТАСТРОФИЧЕСКИЕ РАЗРУШЕНИЯ
ГАЗОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ СЕВЕРА.............................стр.81
2.1.Типы катастрофических разрушений газопроводов и резервуаров на Севере. Причины разрушений
магистральных газопроводов и резервуаров...................стр.81
2.2. Исследование свойств материалов магистральных
трубопроводов Севера......................................стр.119
2.2.1. Исследование микротвердости образцов материала магистрального трубопровода...............................стр. 127
2.3. Исследование распределений дефектов
в газопроводах и резервуарах Севера.......................стр. 130
-3-
2.4. Анализ деградации свойств материалов.......................стр. 149
2.4.1. Анализ старения основного металла и сварного соединения магистрального газопровода
Севера после длительной эксплуатации........................стр. 163
ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ
ПРИ ПОТЕРЕ ПЛАСТИЧНОСТИ.........................................стр. 168
3.1. Исследование механических свойств и характеристик трещиностойкости материалов применяемых для
конструкций Севера..........................................стр. 168
3.1.1 Функции распределения характеристик
трещиностойкости трубных сталей.............................стр. 189
3.2. Экспериментальные оценки потери пластичности на
гладких образцах............................................стр.204
3.2.1. Накопление повреждений и оценка надежности
при случайных нагрузках.....................................стр.205
3.2.2 Гипотезы и модели накопления повреждений..............стр.207
3.2.3. Испытания на малоцикловую усталость гладких
образцов....................................................стр.211
3.3. Экспериментальные исследования образцов с трещиной
при низких температурах.....................................стр.219
3.4. Оценка предельного состояния материалов
при потере пластичности.....................................стр.227
3.4.1. Методика построения предельной кривой потери пластичности для гладких образцов...........................стр.227
3.4.2. Уравнения предельного состояния при потере пластичности. Коэффициент потери пластичности...............стр.235
3.5. Методика оценки предельного состояния материала конструкции при потере пластичности методами
неразрушающего контроля.....................................стр.239
-4-
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ
ХЛАДОСТОЙКОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ
ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ..............................стр.249
4.1. Оценка хладостойкости образцов с учетом оценки
потери пластичности при низких температурах............стр.249
4.2. Расчет на прочность и трещиностойкость трубопроводов
и резервуаров большого диаметра........................стр.263
4.3. Разработка метода оценки хладостойкости трубопроводов
и резервуаров после длительной эксплуатации............стр.269
4.3.1. Методика оценки остаточного ресурса
магистрального газопровода.............................стр.280
4.4. Алгоритм и критерий оценки хладостойкости
трубопроводов и резервуаров после длительной эксплуатации стр.283
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРУАРОВ СЕВЕРА........................................стр.294
5.1. Определение функции безотказной работы трубопроводов и резервуаров Севера........................................стр.294
5.2. Оценка параметров надежности магистральных газопроводов
после длительной эксплуатации в условиях Севера........стр.ЗОЗ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...............................стр.322
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................стр.324
ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................стр.358
5
ВВЕДЕНИЕ
Проблема оценки надежности и ресурса металлоконструкций, работающих в условиях низких климатических температур на сегодняшний момент является наиболее актуальной задачей обеспечения техногенной безопасности сложных технических систем. Если в начале прошлого века задачей инженеров было решение задач прочности конструкций методами сопротивления материалов, а в 60-70-х годах - решение задач обеспечения прочности, надежности и хладостойкости машин и конструкций, то сегодня задачей является комплексная оценка прочности, надежности, хладостойкости и безопасности сложных технических систем. Да иные задачи, в первую очередь, ставят Федеральный закон «О промышленной безопасности», а также ускоряющиеся темпы промышленного роста и освоения природных ресурсов Северо-Востока России. Решение проблемы требуется рассматривать с нескольких позиций: усовершенствования методов диагностики и мониторинга; разработки новых методов расчета предельного состояния элементов конструкций и экспериментальных исследований физико-механических свойств материалов. Проблемы безопасности функционирования сложных технических систем, таких как трубопроводный транспорт, энергетические установки, экскаваторы, драги и многих других, эксплуатируемых в условиях Севера, тесно связаны с задачами их диагностики, оценки и продления ресурсов. Для Крайнего Севера требуется учет ряда специфических факторов, что не позволяет в прямом виде применять методы, разрабатываемые для других регионов России и мира. Все эти факторы взаимосвязаны.
Понятия хладостойкость элементов конструкций и хладноломкость металлов практически появились в начале шестидесятых годов после успешного начала освоения космического пространства. В пятидесятые годы велись исследования поведения материалов в условиях вакуума и при температурах жидкого водорода и азота, которые в шестидесятые годы постепенно перешли в исследование порога хладноломкости сталей для производства эле-
ментов металлоконструкций массового производства, эксплуатирующихся в условиях экстремально низких климатических температур. В семидесятые годы в результате этих исследований были созданы новые марки сталей -низколегированные, порог хладноломкости которых лежал ниже стандартизованной климатической температуры эксплуатации, особенно в условиях Крайнего Севера. Результаты этих исследований используются для предотвращения хрупких разрушений в условиях низких климатических температур с целью повышения безопасности эксплуатации опасных производственных объектов, к которым относятся большие механические системы или для повышения эффективности техники в северном исполнении.
Вопросы повышения безопасности опасных промышленных объектов путем предотвращения хрупких разрушений их элементов с каждым годом становятся все более актуальными, особенно это относится к нефтегазопроводам и резервуарам, длительно эксплуатирующимся в условиях низких температур.
Анализ случаев разрушений трубопроводов и резервуаров показывает, что новые металлоконструкции всегда останавливают трещину (свищ), а старые рассыпаются на осколки. Можно предположить, что за время длительной эксплуатации в металле конструкций накапливается столько повреждений, что любое нарушение сплошности тела, например, трубы, приводит к спонтанному разрушению осколочного характера. Отсюда вытекает общая постановка задачи исследований опасных производственных объектов типа нефтегазопроводов большого диаметра после длительной эксплуатации - каким образом, обнаруженные дефекты при проведении диагностики стареющих металлоконструкций ранжировать не только по геометрическим размерам и формам, но и по степени риска возникновения катастрофических аварий с учетом накопления повреждений в процессе эксплуатации. Очевидно, что к методикам поверочного расчета на прочность, таким как: методики расчета по скорости коррозии металла; методики расчета трещиностойкости метал-
ла; методики расчета на усталость металла; методики расчета узлов оборудования, работающего в условиях ползучести, должны быть добавлены методики расчета хладостойкости по результатам диагностики металлоконструкций в зависимости от срока эксплуатации.
Повышение надежности и несущей способности металлоконструкций и сооружений, работающих при низких климатических температурах, требует решения фундаментальных задач: разработки феноменологических основ оценки хладостойкости от материала до конструкции по физически обоснованным параметрам; оценки предельных параметров в зависимости от структурной поврежденности; разработки методологических алгоритмов оценки хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации. Комплексные исследования по оценке хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера ранее не проводились.
Цель диссертационной работы заключается в развитии научных основ анализа остаточного ресурса и в разработке методов и критериев оценки хладостойкости труб и сосудов при статических нагрузках после длительной эксплуатации.
В соответствии с поставленной целью требовалось решение следующих задач:
- путем проведения комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин разрушений магистральных трубопроводов и резервуаров Севера выявить и систематизировать основные факторы, влияющие на надежность и прочность после их длительной эксплуатации;
- изучить физико-механические свойства трубных сталей северного исполнения, создать базу данных и оценить характеристики сопротивления хрупкому разрушению материалов конструкций, длительно эксплуатирующихся в условиях Севера;
8
- провести экспериментальные исследования механических свойств и характеристик статической трещиностойкости на образцах моделированием потери пластичности в виде поврежденности и низких температур и обосновать предельное состояние при разрушении в результате потери пластичности;
- исследовать границы потери пластичности на образцах, провести корреляцию с методами иеразрушающего контроля и сформулировать критерий хрупкого разрушения при потере пластичности;
- разработать критерий потери пластичности материала для оценки показателей хладостойкости конструкций, длительно эксплуатирующихся в условиях Севера;
- разработать методику и алгоритм оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа трубопроводов и резервуаров Севера после длительной эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в развитии экспериментальных методов оценки предельного состояния и усовершенствовании подходов оценки вязкохрупкого перехода для элементов конструкций типа труб и сосудов большого диаметра после длительной эксплуатации на основе подходов механики разрушения. При этом получены следующие основные научные результаты:
- разработан метод оценки хладостойкости тонкостенных металлоконструкций типа магистральных трубопроводов и сосудов давления большого диаметра после длительной эксплуатации путем расчетного определения второй критической температуры вязкохрупкого перехода с использованием предельной кривой потери пластичности, установленной испытаниями на образцах характеристик статической трещиностойкости, механических свойств и показателя потери пластичности с учетом конструктивных размеров и объемности напряженного состояния в зонах концентрации напряжений;
9
- разработана экспериментально обоснованная предельная кривая разрушения в зависимости от характеристик статической трещиностойкости, механических свойств и характера потери пластичности, смоделированная на образцах в виде поврежденности и низких температур;
- исследование границ потери пластичности на образцах позволило предложить критерий пластичности материала, заключающийся в исчерпании пластической составляющей в упруго-пластическом деформировании вследствие воздействия различных факторов;
- проведена корреляция фактора потери пластичности материала с микротвердостью, позволяющая оценить деформационное старение материала методами неразрушающего контроля;
- на основе проведенных исследований потери пластичности разработана методика оценки потери пластичности и предложено условие хрупкого разрушения материала конструкции в виде деформационного критерия, состоящего из составляющих поврежденности и низких температур и позволяющего оценить хладостойкость конструкции после определенного периода эксплуатации;
- предложен метод оценки остаточного ресурса для конструкций типа трубопроводов и резервуаров после длительной эксплуатации.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке метода оценки хладостойкости тонкостенных металлоконструкций типа трубопроводов и резервуаров большого диаметра после длительной эксплуатации, составляющего единый прикладной комплекс для решения задач но обеспечению требуемого уровня эксплуатационной надежности конструкций Севера в результате исчерпания несущей способности.
Результаты диссертационной работы использованы для разработки практических рекомендаций по оценке технического состояния и хладостой-кости трубопроводов и резервуаров, работающих в условиях Севера, а также
10
стандартов предприятий по расследованию аварий и инцидентов на опасных производственных объектах:
1 .Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Оценки технического состояния непроектных участков магистрального газопровода.
2.Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Сбор, хранение и подготовка первичной информации для оценки технического состояния и проведения исследования причин отказов и разрушения магистрального газопровода.
3.Методические рекомендации. Хладостойкость магистральных газопроводов при эксплуатации.
4.Стандарт организации. Положения проведения технического расследования аварий и инцидентов на опасных производственных объектах.
5.Программа проведения экспертизы промышленной безопасности резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Перечисленные нормативно-технические документы внедрены в производственные предприятия: ОАО «Якутгазпром», ОАО «Сахатранснефте-газ», ОАО «Саханефтегазсбыт», а также в экспертную организацию ЗАО НПП «ФизтехЭРА».
Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ Института физико-технических проблем Севера им.В.П.Ларионова СО РАН по темам:
1.11.1.10. Разработка методов моделирования неравновесных процессов в гетерогенных материалах и создание новых материалов, технологий и основ оптимального проектирования для повышения надежности и работоспособности конструкций и машин, работающих под действием статических и динамических нагрузок в условиях Крайнего Севера. Раздел 3. Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов распространения стабильной (хрупкой) трещины как последействие автоволновых деформаций в
твердом теле с системой рассеянных повреждений и дефектов (1996-2000). №гос.регистрации 0196000703.
3.3: 2.3.6. Разработка и усовершенствование методов расчета прочности, надежности и оценки ресурса элементов машин и конструкций, работающих в условиях Севера. Раздел 1. Разработка методики экспериментально-расчетной оценки несущей способности и расчета показателей надежности элементов конструкций эксплуатирующихся в условиях холодного климата (2003-2005). № Гос. регистрации 01.2.00.107181.
Фундаментальная программа РАН 3.16.3. Динамика и устойчивость многокомпонентных машиностроительных систем с учетом техногенной безопасности. Проект «Оценка риска и системы контроля технической безопасности», тема «Техногенная безопасность и оценка ресурса больших механических систем с учетом воздействия низких климатических температур» (2004-2006).
Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций. Программы 8.3. Физика и механика деформирования и разрушения однородных и композитных материалов и конструкций для транспортных и авиационных систем. Проект «Развитие теории хрупкого разрушения кристаллических конструкционных материалов и их неразъемных соединений с накопленными повреждениями в условиях низких температур (до -120° С)». Блок 1. Исследование закономерностей поведения деградирующих твердых тел для прогнозирования их ресурса от воздействия различных силовых нагрузок и механохимического поведения материалов с различной поликристаллической структурой и их неразъемных соединений в элементах конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах (-120° С) (2006- 2009).
Достоверность научных положений и полученных результатов обоснована:
-общепринятыми исходными положениями;
-применением апробированных методов исследований и обработки результатов;
-соответствием результатов исследований, полученных автором, с результатами других исследователей в этой области.
Личный вклад автора состоит:
- в постановке задачи исследования, формулировке основных положений, определяющих научную новизну и ее практическую значимость;
- в разработке подходов, критериев и методов расчета на хладостойкость после длительной эксплуатации;
- в непосредственном руководстве и участии в проведении всех этапов исследований эксперимента и расчета показателей хладостойкости;
- в формулировке подходов в оценке потери пластичности и обработке результатов исследований.
Апробация работы. Основные материалы и результаты работы докладывались и обсуждались на: Международном семинаре «Механические свой-/
ства и разрушение сталей при низких температурах» (г.Санкт-Петербург, 19 апр.1996 г.); научно-практической конференции «Молодежь и наука РС(Я) (г.Якутск, 5-6 дек. 1996 г.); научно-практической конференции «Якутск-столица северной республики: глобальные проблемы градосферы и пути их решения»; региональном семинаре «Технология и качество сварки в условиях низких температур» (г.Якутск, 9-14 июня 1997 г.); Всероссийской конференции «Проблемы защиты населения и территорий ог чрезвычайных ситуаций» (г.Красноярск, 21-25 сент. 1997 г.); научно-техническом семинаре «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» (г.Санкт-Петербург, 1998 г.); II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г.Якутск, 20-27 августа 2004 г.); XI Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций «Актуальные проблемы гражданской защиты» (г.Москва, 18-20 апреля 2006 г.); IV Ев-
13
разийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата ( г.Якутск, 22-27 июля 2008 г.); I научно-практической конференции «Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объектов в условиях Крайнего Севера: Проблемы и пути решения» (г.Якутск, 20-22 мая 2009 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 45 научных работах, в том числе 1 монография, 14 статей в журналах.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов, списка литературы из 319 источников, приложения и изложена на 358 страницах машинописного текста с 41 таблицей и 130 рисунками.
Работа выполнена в отделе методов диагностики и хладостойкости, Учреждения РАН Института физико-технических проблем Севера имени академика В.П.Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук и в лаборатории моделирования повреждений и разрушений отдела проблем прочности, безопасности и живучести машин и конструкций Учреждения РАН Института машиноведения им.А.А.Благонравова Российской академии наук.
Автор выражает глубокую признательность член-корреспонденту РАН
Н.А.Махутову, докт.техн.наук, профессору А.В.Лыглаеву, докт.техн наук, профессору Ю.Г.Матвиенко за ценные советы и внимание к работе.
14
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ХЛАДОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
Явление хрупкого разрушения конструкций при низких температурах называется хладноломкостью. Термин хладноломкость показывает, что наиболее эффективным фактором, приводящим к хрупкому разрушению, является понижение температуры, хотя, явление хрупкого разрушения может проявляться и при положительной температуре. Хладноломкость не есть свойство, постоянно присущее данному твердому телу, а является лишь тем состоянием, которое зависит от условий работы и напряженного состояния. Для металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, одним из основных требований является обеспечение хладостойкости материала. Одним из критериев оценки опасности и предотвращения хрупкого разрушения металлов является критическая температура хрупкости [165, 173].
1.1. Методы оценки сопротивления хрупкому разрушению
Хладосгойкость — это способность образца (элемента конструкции) сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах испытания (эксплуатации) [165, 173, 221, 222, 223].
На протяжении многих лет, фундаментальные основы анализа хрупких разрушений даны в работах А.Е.Андрейкива, В.В.Болотина, Р.В.Гольдштейна,
Н.Н.Давиденкова, А.Ф.Иоффе, Л.А.Копельмана, А.Я.Красовского,
В.П.Ларионова, Н.А.Махутова, Е.М.Морозова, В.В.Панасюка, В.З.Партона, Ю.Н.Рабогнова, С.В.Серенсена, С.КЛпуш А.А.ОпГГцй, ГМ.КоЬеПзоп и др.
Прикладные задачи, связанные с разработкой методов оценки хрупкого разрушения крупногабаритных металлоконструкций, рассматривались в работах Е.М.Баско, А.В.Викулина, Ю.И.Егорова, О.М.Иванцова, П.Ф.Кошелева,
В.Н.Красико, А.Я.Красовского, С.А.Куркина, В.П.Ларионова, Н.А.Махутова, Ю.Г.Матвиенко, А.М.Лепихина, А.В.Лыглаева, В.В.Москвичева,
15
Ю.И.Пашкова, Ю.П.Солнцева, В.Т.Трощенко, В.В.Филиппова, F.M.Burdekin, K.Kalna, T.Kanazawa, W.WeibuIl, и др.
Проблемы повышения безопасности эксплуатации сложных технических систем (СТС) в суровых климатических условиях Крайнего Севера приобретают актуальные значения. В связи с трудностью энергетического и материально-технического снабжения на Крайнем Севере, любые виды разрушения СТС могут привести к катастрофическим последствиям в экономической, техногенной, энергетической и экологической сферах жизнедеятельности.
Оценка конструктивной прочности и надежности деталей машин и элементов конструкций при низких климатических температурах, является одной из наиболее сложных проблем механики деформируемого твердого тела. Анализ причин разрушения конструкций в условиях низких температур в работе [157], позволил сформулировать следующую постановку задачи надежности конструкций северного исполнения
1Дю = (т2 min
[[Gei) - С(Дт)]> 0 ’ '
где т2 - количество разрушений элементов конструкций в экстремальных условиях эксплуатации, mi - количество отказов в нормальных условиях эксплуатации в зоне с умеренным климатом, G(L) - стоимость потерь при недовыполнении объема работ L из-за разрушения элементов конструкций, С(Дт)- стоимость работ по ликвидации разрушений путем повышения качества конструкций.
Безотказное функционирование механической системы во многом определяется уровнем запаса прочности, что в свою очередь связано с назначением величины допускаемых напряжений при расчетах на прочность. Следовательно, под тем характерным явлением повышения Ат в условиях эксплуатации на Севере, можно подразумевать некоторое смещение границ допускаемых напряжений, которое было принято в расчетах на прочность при проектировании элементов конструкций. Данная аналогия в теории надежности механических
16
систем [19] означает, что надежность конструкций, как вероятность безотказ ной работы, имеет тенденцию к понижению
где N -общее количество элементов конструкций; I — время эксплуатации.
Анализ причин отказов магистральных газопроводов, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур, показывает, что 84,2% отказов происходят при низких температурах эксплуатации. Вместе с тем, более 40% всех отказов газопроводов приходятся на кольцевые сварные соединения, в том числе отказы, обусловленные появлением сквозных трещин в монтажных кольцевых соединениях, сваренных в условиях низких температур, составляют около 90,0% [130].
Для оценки вероятности безотказной работы магистрального газопровода используют функцию Вейбулла в виде
где 10, Ь - параметры распределения.
Оценка параметров вышеприведенной формулы по данным разрушения кольцевых сварных соединений северных газопроводов показала, что 6=3,6 ; 10 = 83,4 [103]. При этом, вероятность отказа газопровода за определенный промежуток времени /-/, оценивалась по формуле
Существующие методы определения условий хрупкого разрушения основаны на экспериментальных наблюдениях с последующей разработкой расчетных методов для практического использования, которые заключаются в ранжировании конструкционных сталей по уровню сопротивления хрупкому разрушению. При этом, детерминистические методы количественной оценки хрупкого разрушения элементов тонкостенных металлоконструкций указывают на определенное снижение сопротивляемости элементов конструкций к хрупким разрушениям при понижений температуры, без уточнения вероятностных
*(/)={!-т2(/)/ЛГ} ,
(1.2)
(1.3)
Роткк1’0~ ^отк (0 " ^01 к (/|) ■
(1.4)
17
показателей. Практически, сдвиг критической температуры вязко-хрупкого перехода означает меру склонности элемента конструкции к хрупкому разрушению. Или, иными словами, возрастает вероятность хрупкого разрушения.
В механике разрушения, отказы элементов конструкций с трещиной (исходной или возникшей в процессе статического или циклического нагружения), сопровождающиеся разрушением материала, классифицируются как хрупкие, квазихрупкие или вязкие. Эти виды разрушения определяются уровнем местных пластических деформаций в вершине трещины и отличаются номинальными разрушающими напряжениями, скоростями развития трещины и видом излома. При этом, в качестве основных критериев хрупкого разрушения элемента конструкции, принимаются: первая Ткп и вторая ТКГ2 критические температуры; величина номинальных разрушающих напряжений сгсо или деформаций ес; критические значения интенсивности напряжений К/с и деформаций К1е. Используя эти критерии разрушения, можно оценить предельные состояния элемента конструкции с трещиной в условиях низких температур и произвести оценку запасов по критическим температурам АТ. Если минимальные температуры Тэкс при эксплуатации конструкций оказываются выше Ткп для элемента конструкции, возможность хрупкого разрушения исключена. Это условие записывается в виде [221]
АТ = Тэкс—Ткп > 0. (1.5)
Обеспечение достаточной хладостойкости, означает предотвращение хрупких разрушений элементов конструкций при нагрузках, существенно ниже расчетных.
Изменение технического состояния элементов конструкции в период эксплуатации обусловлено как старением материала, так и отказами конструкции. Как известно, эксплуатационные затраты состоят из затрат на техническое обслуживание Соь и восстановление С„ при возможных отказах. Проводимые в процессе интенсивной эксплуатации конструкции профилактические мероприятия содержат несколько видов работ. При этом выполняются контроль
18
технического состояния, технического обслуживания и ремонтные работы. Соответственно стоимость затрат на обслуживание на стадии эксплуатации включает затраты на контроль технического состояния объекта, профилактику и ремонт. От величины Сов напрямую зависит изменение надежности конструкции. Стоимость восстановления при отказах на стадии прогнозирования определяется как риск возможных предельных состояний и вычисляется путем умножения на вероятности отказа на ущерб [2]
SKCH = Ротк (О У -> min , (1.6)
где У - ущерб.
Ущерб состоит из стоимости конструкции, потерянных продуктов и экологических штрафов, причем, стоимость конструкции зависит от исходного уровня надежности, а остальные уровни с ним не связаны.
Управление эксплуатационной безопасностью сложных технических систем сводится к установлению параметров технического обслуживания, приводящих к приемлемому уровню значений параметров- надежности при минимальной стоимости эксплуатации. Риск эксплуатации промышленного объекта считается приемлемым, если ради выгоды, получаемой от эксплуатации объекта, общество готово пойти на этот риск. Область применения данного принципа ограничивается сооружениями, при отказах которых нехарактерна массовая гибель людей. В этих условиях, критерием принятия решения, наиболее полно и информативно характеризующим функционирование сложных технических систем, выступают экономические факторы [10-12, 244].
Для металлоконструкций, эксплуатирующихся в. условиях низких климатических температур, одним из основных требований является обеспечение хладостойкости материала [223]. Одним из критериев оценки опасности и предотвращения хрупкого разрушения металлов является критическая температура хрупкости [129, 145, 154, 165]. Для определения температуры хрупкости используются различные показатели: уровень ударной вязкости, по результатам испытаний образцов Шарпи с V-образным надрезом; процент вязкой составляющей в изломе по результатам испытаний образцов DWTT [76, 77, 114, 191,
19
207, 281]. Основным недостатком данных методов является то, что эти показатели не учитывают напряженно-деформированное состояние элемента конструкции. На данное время, для расчетов на сопротивление хрупкому разрушению [115, 130, 133, 143] общепризнанными являются методы построения зависимостей от приведенной температуры (равной разности температуры эксплуатации и температуры хрупкости) и вторая критическая температура вязкохрупкого перехода для элементов тонкостенных металлоконструкций\гКРг\коп • Как известно, разрушение материалов при напряжениях ниже их расчетной прочности, связано с наличием и образованием различного рода дефектов типа трещин. Отличительная особенность хрупкого разрушения элементов конструкций связана с мгновенным распространением магистральной трещины при максимальных эквивалентных напряжениях равных или ниже предела текучести конструкционных материалов [8, 16, 164, 165, 259, 279, 282, 284]. Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования хрупкого разрушения позволяют охарактеризовать закономерности образования и развития хрупких трещин в связи с основными конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами [8, 13, 105, 107, 112, 113, 115, 129, 156, 169,.’ 170,182,206,231,239,250,301,313]. . .
Анализ разрушений конструкций при низких температурах, с одной стороны, и температурных зависимостей ударной вязкости, с другой стороны, показал, что сопротивление хрупкому разрушению при некоторых температурах, называемых критическими, резко снижается (ударная вязкость для конструкционных малоуглеродистых сталей снижается 2-10 раз) [71,114, 147, 157].
Объяснение критичности температур вытекает из предложенной в работе [99] схемы, в соответствии с которой, при снижении температуры испытаний на гладких образцах, предел текучести СГг повышается, а сопротивление отры-
ву $от остается практически постоянным. Температура, при которой достигается равенство (уг и £ог, является критической, (рис. 1.1.) т.е.
ас=сгт=при Т =Гл (I-7)
20
Схема определения критической температуры хрупкости для гладких образцов
Рис.1.1
При у < Тк происходят хрупкие разрушения без образования макро-пластических деформаций, если же у > Тк разрушению предшествуют пластические деформации. На основе этой схемы за критической областью (у < Тк) критерием хрупкого разрушения является номинальное напряжение
£}ог, определяемое при статических испытаниях гладких образцов в диапазоне
низких температур.
С определением критических температур хрупкости, разрабатывалась расчетная оценка температурного запаса вязкости [165]:
(Гэ-Тк)
Пт
Г
(1.8)
где у3 - минимальная температура металла в эксплуатации.
Дальнейшие исследования хрупкого разрушения связаны с анализом переходных температур для образцов с трещиной и определением местных пластических деформаций в вершине трещины [44, 47, 166, 178]. Для определения критических температур перехода от вязкого к квазихрупким и хрупким раз-
21
рушениям, необходимо построение: температурных зависимостей условного предела текучести (у02; номинальных разрушающих напряжений &со по ослабленному сечению образца; доли вязкого волокна в изломе ра и относительного поперечного сужения в плоскости разрушения. Критические температуры перехода в хрупкое состояние ркр2 оценивают по температурным зависимостям (у02 и (усо, по условию их равенства, а критическую температуру
перехода из вязкого в квазихрупкое состояние - по сужению в зоне разрушения составляющему 0,8 от максимального (рис.1.2). При этом величина (усо оценивается по формулам ГОСТ 25.506-85 [70].
Разрушение элемента конструкции с трещиной (исходной или возник-' шей в процессе статического или циклического нагружения) может быть хрупким или вязким. Эти виды разрушения определяются уровнем Схема температурных зависимостей свойств металлов о-, Т,Р
Хрупкое * у^Квазихр.у^ Вязкое Рис. 1.2
местных пластических деформаций в вершине трещины и отличаются номинальными разрушающими напряжениями, скоростями развития трещины и видом излома. При этом, в качестве основных критериев хрупкого разрушения элемента конструкции, принимаются: первая УА7>) и вторая уАТ2 критические
22
температуры; величина номинальных разрушающих напряжений или деформаций 0Х; критические значения интенсивности напряжений £к. и деформаций . Используя эти критерии разрушения, можно оценить предельные состояния элемента конструкции с трещиной в условиях низких температур и произвести оценку запасов по критическим температурам . Если минимальные температуры 71;*:і5 при эксплуатации конструкций оказываются выше Тке\ Лля элемента конструкции, то возможность хрупкого разрушения исключена. Это условие записывается в виде [222]
ТКР2 < Т'ЭКС * (1*9)
Обеспечение достаточной хладостойкости означает предотвращение хрупких разрушений элементов конструкций при нагрузках, существенно ниже расчетных. К настоящему времени, общепризнанными являются два подхода, базирующиеся на представлениях о критической длине дефекта и о критической температуре хрупкости. Первый подход основан на предотвращении предельного состояния в вершине существующего или трещиноподобного дефекта при заданных условиях нагружения [45, 47, 76]. Второй подход предполагает запрет эксплуатации конструкции при температуре, ниже допускаемой [71, 118, 133]. Оба эти подхода развивались обособленно: первый - для создания хладостойких конструкционных материалов, а второй - для разработки экспериментально-расчетных методов оценки хладостойкости элементов .конструкций, хотя связаны с одним и тем же явлением - вязко-хрупким переходом в металлах. В работе [115] показан один из путей объединения данных подходов. Как известно, в рамках линейной механики разрушения, размер пластической зоны в вершине трещины связан с уровнем интенсивности напряжений и с пределом текучести материала. Исходя из этого, доказано [114, 115] существование критической температуры хрупкости как температуры, соответствующей выполнению условий плоской деформации
В > Р
23
' тґ 42
ІУ/С
<(7т ;
(1.10)
где 5 - толщина образца; /?- коэффициент, регламентирующий относительный размер критической пластической зоны (для низколегированных сталей принимается /? = 2,5).
Данная температура хрупкости является точкой пересечения функциональной зависимости (1.10) с экспериментально установленной кривой Х/с^Г )
Г,= ^ш(яс7г’М2/*). О-И)
где ]7о и ^ - коэффициенты аппроксимации Хю^Г*)9
Иной подход определения температуры хрупкости для сварных соединений рассмотрен в работе [110], где аналогом Т КУ2 служит нижняя критическая
температура у1". Условие достижения 7^ определяется соотношением
Вот _ : (7т
(1.12)
где j - жесткость напряженно-деформированного состояния в вершине дефекта.
Аппроксимируя температурную зависимость (ут выражением
<Тг = <ТтоехР Рт ' . (1-13)
из формулы (1.12) можно получить [179]
Тк2 =
1 1п(5ог//сгго) н-----
Рт
-\
(1.14)
Значения j для каждого вида и размеров дефектов могут быть получены численными методами, что затрудняет использования данной зависимости.
Для элементов конструкций критическая температура перехода из одного состояния в другое устанавливается по данным эксперимента на стандартных образцах, при этом учитываются смещения первой и второй критической
24
температуры под влиянием конструктивных и технологических факторов [165,
Наибольшую сложность для инженерных расчетов представляет именно корректное определение смещения критической температуры хрупкости для элементов конструкций. Такое смещение вызвано рядом особенностей, таких как геометрия конструкции и, возникающим отсюда, сложным характером концентраторов напряжений, неоднородностью напряженно-деформированного состояния, технологической и эксплуатационной дефектностью. В работе [145] впервые была предложена общая схема расчетно-экспериментальной оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций, типа сосудов давления и трубопроводов большого диаметра, с использованием температуры, как расчетного параметра. Условие определения второй критической температуры, с учетом влияния схемы нагружения на состояние металла при разрушении трубы или сосуда давления, предложено в виде (рис. 1.3.)
где 0-д..- разрушающее тангенциальное напряжение в цилиндрической конструкции типа трубы с радиусом Я и толщиной стенки X; (ут - предел текучести гладкого образца; критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине продольной сквозной трещины в объекте исследования; ]£с- критический коэффициент интенсивности напряжений металла исследуемого объекта ниже минус 40°С.
221]:
(1.15)
(У ос С7т При ,
(1.16)
Схема определения второй критической температуры для конструкции с трещиной
25
При этом критерий хладостойкосги сформулирован в виде
\ГАТ2.1ш// < ТЭКС 5
где (т'л-ягЬо/, " вторая критическая температура вязкохрупкого перехода, том влияния конструктивных параметров, определяемая по формуле [145]
IТ< 2]
и кР21КОН [ _ /
* с * п
1 +
1,61/
т
/К
(1.18)
где 10, К0 и /?, 5 - коэффициенты аппроксимации температурных зависимо-
стей Кс\г) и <7,\т )■
Недостатком данного метода является то, что в нем не учитывался характер деформационною упрочнения материалов, что свойственно для трубных сталей.
Это обстоятельство было учтено в работе [252], где на основе экспериментальных данных было предложено критериальное соотношение для материалов с упрочнением по закону Рамберга-Осгуда в виде
Ка-Кс
Г Гл«1 л-Г
V ч Ро ) /
(1.19)
где - условный критический коэффициент интенсивности напряжений, вычисленный по величине Jc\ ]£с- критический коэффициент интенсивности напряжений, вычисленный по величине максимальной нагрузки р^; ро- на-
26
грузка пластической нёустойчивости стандартного образца; р и п - коэффициенты аппроксимации.
Вторая критическая температура вязко-хрупкого перехода определялась
из условия (7дг = 0\ ’ (1.20)
где (у.‘ - напряжение начало текучести трубы с учетом критерия Мизеса
<т?=<Тт*е- о-21)
Здесь (ут- предел текучести гладкого образца; £ = (1 -а + <аг2),/2; а- параметр
двухосности напряженного состояния трубы, равный отношению продольного напряжения к окружному.
С учетом критериального соотношения (1.19), справедливое для данного материала смещение второй критической температуры, с учетом конструктивных размеров труб большого диаметра и сосудов давления, определено в виде [252]
АТ кои п
* К
С ^ * 'тс
К,«
+ 12
1 + /?
/ \ Л-1 '>
(Гг
_7Р 4 « У
(1.22)
В данном подходе просматривается попытка связать интегральные и локальные характеристики разрушения, которые при нижнем уровне относительной тре-щиностойкости характеризовались через минимально возможное значение трещиностойкости материала К,п и сопротивление микросколу .
Анализ расчетного определения хрупкого разрушения элементов конструкций, типа труб и сосудов высокого давления, на основе вышеприведенных детерминированных моделей, приводит к результатам, по сути, дающим нижние или верхние границы уровней вязко-хрупкого перехода. Однако, по своей природе, хрупкое разрушение имеет случайный характер, зависящий от многих факторов, подтверждением чему служит большой разброс характеристик сопротивления хрупкому разрушению, что показывают результаты сериальных испытаний лабораторных образцов. Как известно, детерминированные методы
27
не могут в достаточной степени учитывать разброс экспериментальных данных и случайную природу хрупкого разрушения для элементов конструкций.
Расчеты на прочность и надежность деталей машин и элементов конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах, по инженерному подходу представляются в виде системы расчетов на хладостойкость [130]. Иерархически их можно представить:
- оценка предельного состояния и факторы, ограничивающие хладостойкость несущих конструкций после длительной эксплуатации;
- оценка показателей хладостойкости, количественно характеризующих изменение надежности конструкции (запас прочности, ресурса, риска отказа конструкции и т.п.) при понижении температуры;
- методика расчета показателей хладостойкости;
регламентирующая научно-техническая документация техникоэкономического анализа показателей и выбора оптимального режима эксплуатации конструкции по техническому состоянию в условиях низких температур.
В практике расчетов на хладостойкость достаточно сложно провести точный расчет показателей из-за недостаточно полного объема экспериментальной информации характеристик прочности и нагруженности исследуемого объекта, с одной стороны, и сложности описания предельного состояния конструкций при низких температурах, с другой стороны. Поэтому в работе [117] расчет хладостойкости произведен на основе сравнительного характера: т.е., вычисляется не абсолютное значение, а относительное изменение того или иного показателя при снижении температуры. Полученные таким образом данные используются для сопоставления с нормативными, характеризующими соответствующие показатели при базовой температуре эксплуатации Т = 293К. В качестве показателей хладостойкости деталей машин и элементов в таких расчетах вводятся следующие безразмерные величины: А/7,, Г, р [118]. Значение Ап3 характеризует изменение запаса прочности при низких температурах
=(”»-«»)/«» . (1-23)
28
где - расчетные запасы прочности с учетом и без учета эксплуатации
конструкции при низких температурах.
Показатель 7 показывает изменение ресурса элемента конструкции при эксплуатации конструкции в условиях низких температур
7 = 1М/1В, (1.24)
где /„,/д - расчетные ресурсы элемента при требуемом уровне надежности с учетом и без учета эксплуатации в условиях низких температур.
Показатель р определяет изменение вероятности «неразрушения» элемента, вызванное эксплуатацией конструкции при низких температурах
Р = (1-рМ~Рн) > 0-25)
где р„,рв - расчетные вероятности разрушения элемента при заданном ресурсе с учетом и без учета эксплуатации при низких температурах.
Данные методики оценки хладостойкости элементов конструкций не отождествляются с расчетом объекта на хрупкую прочность. Внешние воздействия на конструкцию и ее поведение в процессе эксплуатации носят случайный характер, а выход из строя, как правило, следствие постепенного накопления повреждений и усталостного распространения трещин. Данные методы расчета разрабатывались в рамках общей теории надежности механических систем.
1.1.1. Влияние температуры, скорости нагружения и технологических факторов
на характеристики трещиностойкости
Температура эксплуатации и скорость нагружения относятся к группе основных факторов, характеризующих условия работы машин и конструкций. Это предопределило проведение интенсивных экспериментальных исследований механических свойств конструкционных материалов с варьированием в широком диапазоне температуры испытаний и скорости нагружения. По результатам испытаний определяются температурные и температурно-
скоростные зависимости характеристик прочности ов, 8к, пластичности ат, б, у и ударной вязкости КС. Однако, получаемой информации оказывается недостаточно для расчетного моделирования и прогнозирования разрушения. В этом случае, при проведении расчетов конструкций с дефектами, необходимо иметь функциональные соотношения между характеристиками трещиностойкости, температурой и скоростью деформирования во всем диапазоне эксплуатационных условий. Результаты экспериментального определения характеристик механических свойств и трещиностойкости, представленные в виде температурных зависимостей [115, 130, 161, 182], позволяют выделить интервалы хрупкого, квазихрупкого и вязкого разрушений и конкретизировать области применения расчетных характеристик и методов. Такие функциональные зависимости для критических значений коэффициентов интенсивности напряжений предлагались в ряде работ [178, 179, 181] и были использованы при проведении расчетов на трещиностойкость в области хрупких разрушений. Для расчетов в области квазихрупких и вязких разрушений необходимы аналогичные зависимости для характеристик упругопластического разрушения.
В работе [182] исследованы температурные и температурно-скоростные зависимости критических значений 1-интеграла. Понижение температуры и повышение скорости деформирования приводит к снижению значений Лс , при этом температурные зависимости носят выраженный 8-образный характер (рис. 1.4 - 1.5). В качестве функции, описывающей зависимость значений 1с от температуры, было предложено использовать уравнение типа
где Т — температура испытаний, К; А, В, С, То - коэффициенты. Функция (1.26) выбрана из тех соображений, что по соответствующим коэффициентам могут быть определены: максимальное (А+В) и минимальное (А-В) значения 1с, а также температура Т0, соответствующая 50%-му снижению 1с, которая может трактоваться как переходная температура хрупкости в интервале температур 20°С. Результаты обработки экспериментальных данных по
(1.26)
30
уравнению (1.26) для ряда исследованных сталей различных толщин представлены в табл. 1.1.
Зависимость критических значений 3-интеграла от температуры испытаний
Рис. 1.4.
а: 1 - СтЗкп, № 13 по табл. 2.1; 2 - 09Г2С, № 15; 3 - СтЗсп, № 6; б: 1 -СтЗсп, № 7; 2 - 09Г2С, № 16.
31
Температурные зависимости 1с -интеграла образцов различных типов (а), вне-центренного растяжения с варьированием толщины (б) и при различных
скоростях деформирования (в).
К, и/тн
Рис. 1.5.
а - тип образца: 1 - № 14; 2 - № 8, скорость нагружения 4 мм/мин; 6-1, мм: 1 - 5; 2 - 10; 3 - 15; 4 - 60;
в - скорость нагружения, мм/мин: 1 -0,125; 2 - 4,0; 3 - 60.
Таблица 1.1
32
Значения параметров уравнения (1.20), описывающего температурную зависи-
мость Пинтсграла
Марка стали, Толщина Толщина образца Балл зерна То, К А, Н/мм В, Н/мм С, К
5 3,5 207,4 129,0 124,6 23,3
СтЗсп, 5 = 60 10 (серия П 3.5 229.0 134.5 110.5 12.3
15 3,5 229.0 140,5 114,5 12.3
60 3.5 225.7 110.6 82.0 20.7
Л / 1 А 5 7 195.9 52.1 46.6 11.9
СтЗсп, 6=14 9 (серия 2) 7 230.0 65,0 59.7 46.31
14 7 231.0 91.7 42.9 9.84
Ст2си.8=3 3 8 196,1 131,5 110,3 2.49
5=4 4 (серия 31 7.5 231.1 110.1 90.8 11.97
8=5 5 7 232,7 125,6 102.9 15,30
СтЗпс 8 6 250.8 98.0 73.5 16.37
СтЗпс 4 8.5 196.0 103.5 93.3 14.82
СтЗкп 20 8 248.0 81.5 67.3 27.4
СтЗкп 5 - 197.7 108.8 98.2 7.9
Ст4кп 5 - 232,6 122,0 108,4 21,57
16Г2А 16 И 162.4 77.2 33.2 6.02
09Г2С 5 8.5 176.4 99.1 83.9 10.56
09І2СЛ 8 9.5 214.7 80.5 65.8 18.12
09Г2С 10 1 224,8 106,6 90,7 16,07
Переходная температура То оказывается примерно постоянной, если при испытаниях удовлетворяется условие
1 = /КЛс/о>), при к=25..50 . (1.27)
В случаях невыполнения этого условия наблюдается снижение переходной температуры, что соответствует характеру температурных зависимостей величины К,с при варьировании толщины образцов. Переходные температуры Т0 для серий 1, 2, 3 соответственно составляют 223...225, 230...231,
231...232К и находятся в области эксплуатационных температур (до -65° С) [182]. Они могут быть использованы в качестве расчетных, наряду с другими температурами хрупкости [181], при оценке -сопротивления элементов конструкций хрупкому разрушению.
Температурные зависимости характеристик трещиностойкости и определение по ним переходных температур хрупкости позволяют оценить влияние технологических факторов на склонность сталей хрупкому разрушению. Исследование структуры листового проката СтЗсп в работе [180] травлением по методу Фри и измерение микротвердости по толщине образцов показали нали-
33
чие прокатного наклепа на глубину 0,3 ...0,4 толщины листа с повышением микротвердости ферритного зерна в поверхностных слоях на 25...30 %, по сравнению с центральной зоной. Снятие прокатного наклепа путем высокого отпуска (3 ч при 630 °С) дает (рис. 2.28,а) снижение переходной температуры хрупкости То от -40°С до -70°С. Существенное снижение переходной температуры достигается путем применения улучшающей термообработки (нормализация при 900 °С + высокий отпуск при 650 °С). Испытания стали СтЗсп (1=14 мм) показали, что в результате термообработки происходит уменьшение ферритного зерна с 0,039 мм в горячекатанном состоянии до 0,014 мм после термоулучшения, при этом сдвиг температур АТ0 составляет = 60 °С (рис. 1.6, а).
Применение в металлоконструкциях холодногнутых профилей проката обусловило необходимость оценки влияния холодного наклепа на характеристики трещиностойкости. Исследовались стали СтЗкп и 09Г2С. Степень пластической деформации, соответствующая зоне гиба холодногнутых профилей, достигалась на образцах механической гибкой и контролировалась по условию равенства микротвердости по толщине листа. Наличие наклепа в зоне гиба гнутого профиля приводит (рис. 1.6, б) к повышению переходной температуры хрупкости (для стали СтЗкп ДТ0 = 40°С; для стали 09Г2С АТо=30°С), что ограничивает возможности применения холодногнутых профилей в металлоконструкциях, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур.
Влияние скорости деформирования на температурные зависимости 1с должно рассматриваться в связи с изменением механических характеристик материала, в частности, предела текучести, при варьировании температуры испытания и скорости деформирования [179]. Совместное влияние пониженных температур и скорости деформирования на значения 1с можно оценить с использованием температурно-скоростного параметра (ТСП) [9, 80, 81, 83, 84, 86-88]. Экспериментальные исследования, проведенные на малоуглеродистых сталях в диапазоне техмператур + 20...-120°С при различных скоростях нагружения (исследован диапазон скоростей юЛ.ЛО'6 с'1), позволили установить зависимость нижнего предела текучести от ТСП в виде