В.В. Гладун ПУГР,

П.В. Пушкар НГВУ “Надвірнанафтогаз”

Аннотация

Проведены исследования кинетики роста усталостной трещины материала буровых труб (сталь группы Д) в условиях блочного нагружения консольным изгибом. Показано влияние низких ступеней нагружения на интенсивность усталостного повреждения от высокой ступени. На основании анализа экспериментальных данных сделан вывод о необходимости учета как величины, так и последовательности низких напряжений случайного процесса нагружения при суммировании усталостных повреждений

Annotation

Comparative investigations of rate of fatigue crack growth of drillpipe material under the block loading are conducted. The influence of low block step for crack speed under the high block step is showed. The results of investigations showed that history and complication of low stresses of random loading must be calculated for fatigue reliability calculations

Виклад основного матеріалу

Для оцінки втомного пошкодження в умовах випадкового навантажування можна використовувати лінійні та нелінійні гіпотези підсумовування втомних пошкоджень.

Першою лінійною гіпотезою, яка й до цього часу найбільш поширена в практичних розрахунках, є гіпотеза Пальмгрена-Майнера [1]. Але численні експерименти при блоковому та випадковому навантажуванні [2, 3] засвідчують, що вона не завжди підтверджується експериментальними даними, тобто лінійна гіпотеза Пальмгрена-Майнера не є універсальною для різних режимів навантажування і її використання може призвести до того, що фактична довговічність виявиться значно меншою за розраховану.

Аналізуючи результати експериментів при блоковому та випадковому навантажуванні, можна стверджувати, що найбільші відхилення від лінійної гіпотези накопичення втомних пошкоджень виникають у двох випадках.

По-перше, при короткочасній дії так званих пікових навантажень [4], тривалість дії яких настільки короткочасна, що при звичайному лінійному підсумовуванні пошкоджень вони не впливають на кінцевий результат, але на практиці в багатьох випадках значно знижують довговічність деталей. При цьому може бути допущена суттєва похибка в бік зниження запасу міцності.

По-друге, найменш прогнозовані результати отримуються дослідниками при великій частці навантажень, що викликають напруження, рівень яких не перевищує границю витривалості матеріалу. Навіть використання теорій втоми, в яких враховано закономірне зниження границі витривалості в процесі накопичення пошкоджень не дає повного пояснення впливу таких напружень на загальну довговічність [5].

Розбіжності, що виникають при оцінці впливу короткочасних високих рівнів навантажування, а також рідкісних навантажень, що викликають напруження, близькі до границі текучості, призвели до розробки різних розрахункових та експериментальних методів уточненої кількісної оцінки відхилень сумарних пошкоджень від лінійного підсумовування. Запропоновані методи в основному описують параметри втомного пошкодження в складній нелінійній формі, що не призводить до поліпшення достовірності результатів та й не дає загальної уяви про модель втомного руйнування.

Оцінка втомного пошкодження на основі статистичної теорії втоми металів більшою мірою відповідає результатам експериментальних досліджень. Але й статистичне трактування втоми не виключає необхідності виділення детермінованої складової міри накопиченого пошкодження. Це вказує на важливість всестороннього вивчення опору втомі при варіативних навантаженнях, включаючи короткочасні пікові навантаження високого рівня та навантаження, що викликають напруження, рівень яких не перевищує границю витривалості матеріалу. Кількісна оцінка значущості тривалості дії таких навантажень може бути отримана лише на основі порівняння експериментально визначених величин випадкової і детермінованої складових накопиченого втомного пошкодження в широкому спектрі режимів навантажування.

У зв'язку з цим необхідно відзначити важливість експериментальних методів дослідження, які дають можливість вивчати ефекти підсумовування втомних пошкоджень. Тому дані експериментальних досліджень, проведених за визначеною методикою і на достатній кількості зразків, можна вважати такими, що найбільше відповідають вирішенню практичних задач розрахунків на втомну довговічність. Накопичення цих даних призвело до створення коректованих гіпотез лінійного підсумовування втомних пошкоджень, в яких суми відносних довговічностей відрізняються від 1

, (1)

де n_i i N_pi - число циклів напруження та циклічна довговічність при напруженні _аі відповідно; S- число рівнів напруження.

Але й коректовані лінійні гіпотези, пропоновані різними авторами, наприклад [2, 3], які в якихось випадках досить точно відповідають експериментам, при зміні параметрів навантажування можуть розходитися з експериментальними даними в 5-10 разів. Навіть зважаючи на статистичну природу втоми, такі результати не можна вважати задовільними.

З практики експлуатації бурильної колони відомо, що вона працює саме в умовах випадкового навантажування з піковими перевантаженнями та високою часткою напружень, які не перевищують границі витривалості. Тому оцінка впливу таких напружень на довговічність матеріалів бурильного обладнання має важливе теоретичне і практичне значення.

Для вирішення цієї проблеми вирішальне значення має експериментальне встановлення параметрів режиму навантажування, які викликають найбільші відхилення довговічності від розрахункової та визначення для таких найбільш несприятливих умов навантажування закономірностей накопичення втомних пошкоджень.

Численні експерименти з вивчення поширення тріщин при багатоступеневому навантажуванні засвідчили, що загалом довговічність залежить від форми блока навантажування. Це ще раз підтверджує висновок про необхідність коректування лінійної гіпотези накопичення втомних пошкоджень. бурильний труба навантажування пошкодження

Дослідженню впливу зміни режимів навантажування на швидкість зростання втомної тріщини присвячено багато робіт, наприклад [6, 7]. Так, авторами [6] отримані результати, які підтверджують, що у випадку двоступеневого навантажування при переході від низького до високого рівня навантажування тріщина розвивається зі швидкістю, що відповідає кінетичній діаграмі втомного руйнування, яка отримана при регулярному навантажуванні, а при переході від високого рівня до низького відбувається затримка зростання тріщини на деяке число циклів або її зупинка.

В даній роботі з метою подальшого обґрунтування процесу втомного руйнування експериментально досліджували накопичення втомних пошкоджень при циклічному ступеневому пружно-пластичному деформуванні матеріалу бурильних труб за жорсткою схемою навантажування консольним згином з амплітудами деформації а=0,3…1 мм.

Для проведення експериментів вибрали сталь групи міцності “Д” (_т=417 МПа) із якої виготовляються бурильні труби.

Балочні зразки вирізали безпосередньо з бурильних труб. Відтак їх піддали механічній обробці і шліфуванню до розмірів 410100 мм. На підготовлені таким чином зразки алмазним кругом наносили V-подібний концентратор напружень глибиною 1 мм з кутом при вершині 60^о і радіусом в його вершині не більше 0,1 мм. Бокову поверхню зразків в ділянці майбутньої площини поширення тріщини полірували.

Дослідження проводили на установці УРТ-1 [8]. Зразки навантажували консольним згином з частотою 24,2 Гц при температурі 293^о К у повітрі. Довжину втомної тріщини вимірювали за допомогою мікроскопа МПБ-2 (24), вмонтованого в спеціальну стійку.

При випробуваннях на втому експлуатаційні навантаження, як правило, імітуються шляхом навантажування згідно зі спеціально підібраними блоковими програмами, що відображають певний склад експлуатаційних навантажень. Дані, що наводяться в літературі, свідчать, що на довговічність зразків при блоковому навантажуванні суттєвий вплив справляє форма блока, наявність в ньому перевантажень і рівнів напружень, які не перевищують границю витривалості [9].

Варіанти схем блокового навантажування, які досліджувались в даній роботі, наведені на рис.1. Для оцінки впливу низьких напружень в склад кожного блока було введено ступінь навантажування, який викликає напруження, нижчі за границю витривалості матеріалу.

А) 0,35-0,6-1; Б) 1-0,6-0,35; В) 0,45-0,6-1; Г) 1-0,6-0,45; Д) 1-(0,8-0,5);Е) 1-(0,7-0,4)

Рисунок 1 Варіанти схем блокового навантажування