Визначення довговічності металічних матеріалів та зварних з’єднань при циклічному навантаженні і наводнюванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

УДК 669.788: 539.43

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Визначення довговічності металічних матеріалів та зварних з'єднань при циклічному навантаженні і наводнюванні

01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла

Рудавський Денис Володимирович

ЛЬВІВ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України. втома інженерний конструкція

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Андрейків Олександр Євгенович, Національний університет ім. Івана Франка, м. Львів, професор кафедри механіки

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, старший науковий співробітник Кир'ян Валерій Іванович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, завідувач відділу міцності зварних конструкцій

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Силованюк Віктор Петрович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, старший науковий співробітник відділу фізичних основ руйнування та міцності матеріалів

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, кафедра динаміки, міцності машин і опору матеріалів, м. Одеса

Захист відбудеться “ 5 ” травня 2004 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України
за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (79601, м. Львів, вул. Наукова, 5).

Автореферат розісланий “ 2 ” квітня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Погрелюк І.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Втома, як один із механізмів руйнування, є причиною експлуатаційних пошкоджень переважної більшості сучасних інженерних споруд. За статистикою доля втомних пошкоджень елементів металоконструкцій становить 40% від загальної кількості їх передчасних відмов. Під час експлуатації конструкцій, що працюють на втому, у водневовмісних середовищах їх загальна довговічність значно знижується внаслідок шкідливого впливу наявного в зовнішньому середовищі водню, який потрапляючи у внутрішній об'єм металу, полегшує зародження та поширення в ньому втомних тріщин. Тому проблема міцності наводнених елементів конструкцій під час дії змінних навантажень, є однією з найбільш актуальних. Тільки за 80-ті роки 18% всіх пошкоджень металоконструкцій можна віднести на рахунок корозійного розтріскування та водневого окрихчення. Поруч із використанням водню в хімічній та нафтохімічній галузях промисловості, а також в якості охолоджуючого агента в роторах турбогенераторів при виробництві електроенергії, інтенсивно збільшується його застосування в метал-водневих системах ядерних і термоядерних енергетичних установок, а також як палива для ракетних та авіаційних двигунів і транспортних засобів, для акумуляції енергії, її передачі та ін.

Важливе значення має та обставина, що, як правило, конструкційні матеріали, які мають більш високу міцність, виявляються і більш схильними до шкідливого впливу водню. Ефект впливу водню підсилюється також із зростанням його тиску. Цей фактор стає перешкодою для розвитку сучасної техніки, що передбачає підвищення параметрів робочих процесів в машинах та агрегатах для збільшення їх ефективності. Тому при моделюванні цих процесів важливе значення має кількісний опис взаємодії водневого середовища із елементами металоконструкцій (процеси масопереносу, взаємодія із неоднорідностями та дефектами структури, вплив на міцнісні та деформаційні характеристики та ін.). Після цього залишається розв'язати основну задачу - визначити довговічність (залишкову довговічність) елемента конструкції, підданого дії змінних навантажень та водневовмісного середовища. Розв'язання такої задачі пов'язано із значними математичними труднощами, зокрема із розв'язками складних нелінійних рівнянь в частинних похідних, математичні методи реалізації яких на даний час ще не розроблені. Тому застосування енергетичного підходу для математичного моделювання воднево-втомного руйнування для визначення залишкового ресурсу елементів металоконструкцій є актуальною науково-технічною задачею.

Дана робота присвячена вирішенню важливого науково-технічного завдання, а саме побудові на основі енергетичного підходу механіки руйнування методик визначення довговічності наводнених металічних матеріалів та зварних з'єднань на стадіях зародження та докритичного росту втомних тріщин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям досліджень відповідає науковій тематиці відділу конструкційної міцності матеріалів в робочих середовищах ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України, де виконана дисертація. Робота має тісний зв'язок із такими державними науковими програмами: “Дослідження втомного руйнування конструкційних матеріалів в умовах складного напруженого стану та при дії динамічного навантаження” (№ держреєстрації 0100U004861, 2000-2002 рр.); “Дослідження кінетики та механізму високотемпературної пошкодженності металів в середовищі водню” (№ держреєстрації 0197U018137, 1997-1998 рр.); госпдоговірна тема “Експеримента-льні дослідження корозії внутрішньої поверхні нафтопроводів та видача рекомендацій на антикорозійний захист”, номер реєстрації ФМІ НАНУ № 2845 (2001) за господарським договором між ФМІ НАНУ і ДАТ “Придністровські магістральні нафтопроводи”. Автор дисертації брав безпосередню участь у виконанні вказаних тем, як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка на базі енергетичного підходу механіки руйнування методик визначення періодів зародження та докритичного росту втомних тріщин в неоднорідних за механічними властивостями матеріалах і елементах конструкцій, що експлуатуються в умовах дії водневих середовищ та побудова розрахункових моделей, за допомогою яких, можна визначати характер поширення на основних стадіях втомного росту тріщин у наводнених металічних матеріалах та прогнозувати загальну довговічність таких конструкцій. Ця мета досягається шляхом розв'язання наступних задач:

визначення концентрації водню в зоні передруйнування біля вершини тріщини та в зварному з'єднанні шляхом розв'язання відповідних задач дифузії в полі механічних напружень;

Залежність довжини втомної мікротріщини l від кількості циклів навантаження N, розраховану на основі співвідношень (15), (16), співставлено із експериментальними даними, отриманими С.Я. Яремою - В.В. Поповичем для сталі 65Г при різних рівнях навантаження (рис. 7). Результати такого порівняння свідчать на користь запропонованої моделі.

В четвертому розділі на базі енергетичного підходу механіки руйнування пропонується розрахункова модель поширення втомних макротріщин у наводнених тонкостінних зварних елементах конструкцій, що перебувають в умовах плоского напруженого стану. В основу моделі покладено енергетичний критерій руйнування та основні положення к - моделі Леонова-Панасюка. Розглядається зварне тонкостінне з'єднання, яке моделюємо неоднорідною за механічними властивостями ідеально пружно-пластичною наводненою пластиною (рис. 8). Для цього випадку, як і в роботах О.Є. Андрейківа і М.В. Ліщинської, запропонована наступна енергетична умова елементарного акту руйнування попереду вершини втомної макротріщини

. (17)

Після граничного переходу при N0, де N - кількість циклів навантаження, отримаємо кінетичне рівняння

. (18)

Тут , - циклічна складова енергії розсіювання пластичних деформацій за один цикл навантаження та її порогове значення в пластичній зоні біля вершини тріщини. Вважаючи, що тріщина задовольняє умови автомодельності, та ввівши, згідно к - моделі, модельні значення границь текучості матеріалу на розтяг та поперечний зсув , , на основі відомих співвідношень лінійної механіки руйнування циклічну та статичну складові енергії розсіювання пластичних деформацій можна представити у вигляді

, (19)

. (20)

Для визначення густини статичної енергії руйнування матеріалу, що перебуває в умовах плоского напруженого стану, яка в загальному випадку має вигляд

, (21)

скористаємось критерієм змішаного (I+II) макромеханізму руйнування

(22)

та співвідношенням

, (23)

яке відображає той факт, що якісна схема процесу деформування в зоні передруйнування при циклічному навантаженні зберігається і для випадку гранично-рівноважного стану в цій зоні. Тоді на основі (21)-(23) з врахуванням концентрації водню статична енергія руйнування матеріалу представиться у вигляді

. (24)

Таким чином, визначивши енергії, що входять у вихідне рівняння (18), отримано кінетичне рівняння поширення втомної макротріщини у наводненому тонкостінному зварному з'єднанні у вигляді

, (25)

де .

Так як тріщина поширюється в тому напрямку, де її швидкість є максимальною, то прирівнявши до нуля похідну від швидкості по куту напрямку поширення тріщини , отримано друге кінетичне рівняння для прогнозування її траєкторії

, . (26)

Маючи швидкість, період докритичного росту визначаємо на основі

. (27)

Розрахункову криву (25) співставлено з даними (кружечки), отриманими Я.Л. Іваницьким із експерименту на втомний ріст макротріщини при змішаному (I+II) макромеханізмі руйнування (рис. 9).

Для випадку одноосного розтягу (KII = 0) кінетичне рівняння (25) співставлялось із експериментальними даними отриманими R. Ritchie при циклюванні компактного зразка із сталі SA387-2-22 у водні (рис. 10 а), а також для зразків виготовлених із різних зон зварного з'єднання цієї сталі (рис. 10 б). Результати цих порівнянь свідчать на користь співвідношень (25)-(27), що складають розрахункову модель для визначення траєкторії та оцінки періоду докритичного росту втомних макротріщин у наводнених тонкостінних зварних з'єднаннях.

На основі цієї моделі розв'язано декілька важливих із практичної точки зору задач. Розглянуто стикові зварні з'єднання із сталі Ст.3 з непроваром довжини а, які циклічно навантажуються у середовищі водню максимальним розтягуючим напруженням р (рис. 11 а, б).

Оцінювали залишкову довговічність зварного з'єднання при різних значеннях навантаження та довжини непровару. Оскільки в даному випадку тріщина поширюватиметься по криволінійній траєкторії, то до обчислення коефіцієнтів інтенсивності напружень було застосовано метод еквівалентності рівнодотичних тріщин, запропонований М.В. Ліщинською. Рівняння моделі (25), (26) для даного випадку були розв'язані чисельно методом Рунге-Кутта.

На рис. 12 а), б) наведено результати розрахунків (відповідно до силових схем рис. 11 а, б) залишкової довговічності на повітрі (суцільні лінії) в порівнянні із експериментальними даними (кружечки, трикутники, квадратики) академіка В.І. Махненка для з'єднань при різних значеннях параметру .

Пунктирна лінія відповідає розрахунку для наводненого зварного з'єднання. Концентрацію водню в зварному з'єднанні визначено із дифузійної задачі (8)-(9). Тиск водню в середовищі приймався рівним 1 МПа. Як видно із рис. 12, наявність порівняно невисокої концентрації водню може помітно знижувати залишкову довговічність зварного з'єднання.

У цьому розділі також розглянуто задачу про ріст втомної внутрішньої напівеліптичної тріщини, що розташована в ЗТВ на ділянці з повздовжнім зварним швом газопроводу із сталі 09Г2С при циклічній зміні внутрішнього тиску (рис. 13). Визначали кінетику росту втомної тріщини та залежність залишкової довговічності трубопроводу від максимального внутрішнього тиску . При розв'язуванні цієї задачі концентрацію водню в стінці газопроводу визначено із співвідношення (5).

Припускалось, що в процесі втомного росту тріщини її контур завжди залишається близьким до напівеліптичного. Тоді для визначення кінетики його поширення достатньо визначити залежність довжини великої та малої півосі цього контуру від кількості циклів навантаження, яку можна отримати із розв'язку системи двох звичайних диференціальних рівнянь із початковою та кінцевою умовами

, (28)

N=0: a=a0, b=b0; N=Nd: b=h.

Швидкості росту півосей контуру тріщини V визначаємо на основі рівняння (25), яке для даного випадку набуває виду

. (29)

Систему рівнянь (28), (29) розв'язано чисельно методом Рунге-Кутта.

На рис. 14 наведено результати обрахунків для наводненої стінки газопроводу із врахуванням піку концентрації водню (5) (рис. 1) і для однорідного розподілу водню. Як можна бачити, попереднє наводнювання та градієнт механічних напружень помітно впливає на довговічність стінки газопроводу, і цей факт слід враховувати при розрахунку його залишкового ресурсу.

Аналогічні розрахунки були проведені для визначення залишкового ресурсу труб нафтопроводу, що було використано при виконанні науково-дослідної роботи за господарським договором між ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України і ДАТ “Придністровські магістральні нафтопроводи”.

Основні результати і висновки

У дисертації запропоновано новий енергетичний підхід для визначення періоду зародження та докритичного росту втомних макротріщин у наводнених елементах металоконструкцій та зварних з'єднаннях, основу якого складають наступні результати і висновки.

Отримано розв'язок задачі дифузії водню в зоні передруйнування біля вершини тріщини із врахуванням попереднього наводнювання та градієнту механічних напружень, а також числовий розв'язок задачі дифузії водню в зварному з'єднанні.

На базі енергетичного підходу механіки руйнування побудовано розрахункову модель для визначення періоду зародження втомної мікротріщини біля наводненої вершини концентратора напружень; виявлено, що сумарна енергія розсіювання циклічних деформацій при руйнуванні значно більша від статичної енергії руйнування, і що ці енергії пов'язані між собою поправкою Морроу.

Сформульовано розрахункову модель для визначення періоду підростання втомної мікротріщини до макроскопічних розмірів у наводненому матеріалі; виявлено, що цей період може становити значну частину від загальної довговічності елемента металоконструкції.

Побудовано розрахункову модель для визначення періоду докритичного росту втомної макротріщини у наводненому зварному з'єднанні, яке перебуває в умовах плоского напруженого стану; отримані на основі моделі кінетичні рівняння дозволяють прогнозувати траєкторію поширення тріщини та визначати залишкову довговічність зварного елемента.

Запропоновані моделі застосовано при розв'язуванні прикладних задач для визначення залишкової довговічності стикових зварних з'єднань та трубних елементів металоконструкцій.

Розроблену на основі сформульованих розрахункових моделей методику визначення залишкового ресурсу зварних елементів металоконструкцій було використано ІЕЗ НАНУ ім. Є.О. Патона при виконанні науково-дослідної роботи присвяченої розрахунку залишкового ресурсу зварних конструкцій. Ця методика також була використана при визначенні, в рамках господарського договору між ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України та ДАТ “Придністровські магістральні нафтопроводи”, залишкового ресурсу труб нафтопроводу “Кременчук-Херсон” на ділянках водних переходів через річки Псло і Дніпро.

Список публікацій

Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Розрахунок ресурсу елемента трубопроводу під впливом водневовмісного середовища // Фіз.-хім механіка матеріалів. - 1999. - №4. - С. 43 - 48.

Андрейків О.Є., Рудавський Д.В., Гембара О.В. Розрахункова модель поширення втомних тріщин у наводнених зварних з'єднаннях // Там же. - 2002. - №6. - С. 18 - 24.

Андрейків О.Є., Гембара О.В., Рудавський Д.В. Вплив залишкових і термічних напружень на перерозподіл водню в біметалевих матеріалах // Машинознавство. - 2002. - №6. - С. 3 - 6.

Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Поширення поверхневої напівеліптичної тріщини в стінці труби газопроводу з врахуванням впливу наявного в газі водню // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій: Зб. наук. праць. - Львів: Каменяр, вип. 5. - 2002. - С. 437-442.

Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Кінетика тріщини в стінці трубопроводу з урахуванням впливу воденьутримувального середовища // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій (випуск 2): Зб. наук. праць. - Т. 2. - Львів: Каменяр. - 1999. - С. 65-69.

Гембара О. В., Ліщинська М. В., Рудавський Д.В. Розрахункова модель поширення втомних тріщин у зварних з'єднаннях в умовах дії водневого середовища // Зб. доп. наук.-техн. конференції молодих науковців КМН-2001. - Львів. - 2001. - С. 100-103.

Рудавський Д.В. Розрахункова модель зародження втомних тріщин у зварному з'єднанні для випадку плоского напруженого стану // Зб. доп. наук.-техн. конференції молодих науковців КМН-2002. - Львів .- 2002. - С. 6 - 10.

Рудавський Д.В. Розрахункова модель для визначення періоду зародження втомної макротріщини // Зб. доп. наук.-техн. конференції молодих науковців КМН-2003. - Львів .- 2003. - С. 98 - 101.

Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Енергетичний підхід в механіці втомного руйнування матеріалів // Шостий міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. - Львів: КІНПАТРІ ЛТД. - 2003. - С. 5 - 6.

А.Е. Андрейкив, Ю. Полянский, Д.В. Рудавський. Определение периода зарождения усталостных макротрещин возле концентратора напряжений // Materiaіy II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materiaіуw i Konstrukcji. - Augustуw. - 4-7 czerwca 2003. - С. 5 - 7.

О.Є. Андрейків, Ю. Полянський, Д.В. Рудавський. Дослідження росту втомних тріщин в тонкостінних елементах конструкцій з неоднорідних наводнених матеріалів // Праці П'ятого українсько-польський наукового симпозіуму “Актуальні задачі механіки неоднорідних структур”. - Львів-Луцьк. - 2003.

Анотація

Рудавський Д.В. Визначення довговічності металічних матеріалів та зварних з'єднань при циклічному навантаженні і наводнюванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2004.

На базі енергетичного підходу механіки руйнування матеріалів в роботі пропонується ряд розрахункових моделей для визначення періодів зародження та докритичного росту втомних макротріщин у наводнених неоднорідних за механічними властивостями металічних матеріалах. Вплив на руйнування наявності в металі концентрації водню моделюється зниженням критичних деформаційних характеристик матеріалу по лінійному закону від рівня концентрації водню. В роботі сформульовано розрахункову модель зародження втомної мікротріщини біля наводненої вершини концентратора напружень та модель для визначення періоду підростання зародженої мікротріщини до макроскопічних розмірів. Отримані розрахункові періоди зародження співставленні із відомими в літературі експериментальними даними.

В роботі запропоновано розрахункову модель для визначення періоду докритичного росту втомної макротріщини у наводненому неоднорідному за механічними характеристиками матеріалі, що перебуває в умовах плоского напруженого стану. За допомогою отриманих, в рамках цієї моделі, кінетичних рівнянь можна визначати траєкторію та період докритичного росту втомної макротріщини. З використанням визначальних рівнянь моделі розв'язано декілька важливих із практичної точки зору прикладних задач, зокрема, задачу про визначення довговічності наводненого стикового зварного з'єднані із непроваром та задачу оцінки залишкового ресурсу елемента газопроводу із внутрішньою напівеліптичною поверхневою тріщиною. Розрахунки показали, що наявність в елементі металоконструкції порівняно невисокої концентрації водню може значно знижувати його довговічність при циклічному навантаженні.

Ключові слова: концентрація водню, циклічне навантаження, енергія розсіювання пластичних деформацій, зародження втомної тріщини, зварні з'єднання, довговічність, напівеліптична тріщина.

Abstract

Rudavskiy D.V. Life time determination of metallic materials and welded joints under cyclic loading and hydrogenation. - Manuscript.

Thesis for a Degree of Candidate of Sciences (Engineering) in speciality 01.02.04 - Mechanics of Deformable Solids. - Karpenko Physico-Mechanical Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2004.

The dissertation is devoted to the problem of the hydrogenated structural elements residual life time estimation. The diffusion problem for hydrogen concentration determination in welded joints is formulated and numerical solution is obtained. A number of energy approaches based on the models for fatigue cracks initiation and propagation were proposed. The calculation models of fatigue microcrack initiation near the hydrogenated stress notch tip and its growth up to the macro size are formulated. The obtained equations allowed to estimate a full period of macrocrack initiation. The calculation model of fatigue crack growth propagation in hydrogenated inhomogeneous materials for plane stress state is built. A fatigue crack propagation path and a weld joint residual life time can be found by the obtained equations. It is shown that calculation results correlate well with the well known experimental data. Some important examples of the residual life time of the welds are considered with the help of proposed models.

Key words: hydrogen concentration, cyclic loading, dissipation of plastic deformation energy, fatigue crack initiation, welds, life time, semi-elliptical crack.

Аннотация

Рудавский Д.В. Определение долговечности металлических материалов и сварных соединений при циклическом нагружении и наводороживании. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформированного твердого тела. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенка, Львов, 2004.

Диссертация посвящена разработке методик оценки долговечности наводороженных металлических материалов и сварных соединений элементов металлоконструкций на стадии развития усталостных трещин. На базе энергетического подхода механики разрушения материалов в работе предлагается ряд расчетных моделей для определения периодов зарождения и докритического роста усталостных макротрещин в наводороженных неоднородных по механическим свойствам металлических материалах. Влияние на разрушение присутствующей в металле концентрации водорода моделируется снижением критических деформационных характеристик материала по линейному закону от уровня концентрации водорода. Для определения концентрации водорода в зоне предразрушения возле вершины трещины в работе аналитическим методом получено решение одномерной задачи диффузии водорода в поле механических напряжений с учетом предыдущего наводороживания. С помощью комбинации метода конечных элементов и разностной схемы получено распределение поля концентрации водорода в сварном соединении как численное решение двухмерной задачи диффузии в поле механических напряжений.

В работе сформулировано расчетную модель зарождения усталостной микротрещины возле наводороженной вершины концентратора напряжений, а также расчетную модель для определения периода подрастания зародившейся микро-трещины до макроскопических размеров. Показано, что этот период может составлять значительную часть от общей долговечности элемента металлоконструкции. В основу этих расчетных моделей заложен энергетический критерий усталостного разрушения материалов, согласно которому в произвольном элементе объема металла произойдет усталостное разрушение, если суммарная энергия рассеивания в нем пластических деформаций при циклическом нагружении достигнет критического значения. Полученные расчетные периоды зарождения сопоставлены с известными в литературе экспериментальными данными.

В работе предложено расчетную модель для определения периода докритического роста усталостной макротрещины в наводороженном неоднородном по механическим свойствам материале, прибывающего в условиях плоского напряженного состояния. Сформулированная модель позволяет учитывать влияние на усталостное разрушение касательной сопоставляющей тензора механических напряжений. В основу модели заложено уравнение баланса энергий в упруго-пластическом теле. С помощью полученных в рамках модели кинетических уравнений можно определять траекторию и период докритического роста усталостной макротрещины.

Используя определяющие уравнения этой модели, в работе были рассмотрены некоторые важные с практической точки зрения прикладные задачи, а именно. Задача об определении долговечности наводороженного стыкового сварного соединения с непроваром. Для определения коэффициента интенсивности напряжений для усталостной криволинейной трещины в данном случае использовано известный в литературе метод эквивалентности равнокасательных трещин. В работе также рассмотрена задача оценки остаточного ресурса элемента газопровода с внутренней полуэллиптической поверхностной трещиной. Задача решена с предположением о сохранении трещиной в процессе ее продвижения полуэллиптической формы. Расчеты показали, что присутствие в элементе металлоконструкции сравнительно невысокого уровня концентрации водорода может существенно снижать его остаточную долговечность при циклическом нагружении.

Ключевые слова: концентрация водорода, циклическое нагружение, энергия рассеивания пластических деформаций, зарождение усталостной трещины, сварные соединения, долговечность, полуэллиптическая трещина.

Размещено на Allbest.ru