Определение ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей на основе структурно-механической модели разрушения с учетом собственных напряжений и двухчастотного нагружения

Актуальность проблемы. В последние годы наметилась тенденция к резкому увеличению количества разрушений металлических конструкций, последствия которых проявляются в масштабах предприятий или целого региона и связаны не только с человеческими жертвами, но и с загрязнением окружающей среды. Ликвидация последствий таких аварий требует серьезных материальных и трудовых затрат. Основной причиной повышения интенсивности отказов является увеличение количества силовых конструкций, отработавших свой нормативный срок. Например, в Дальневосточном регионе России около 65% парка грузоподъемной техники и котельного оборудования исчерпали свой проектный ресурс. Безаварийная эксплуатация таких объектов не может быть гарантирована без организации системы наблюдений за техническим состоянием несущих элементов конструкции с целью своевременного выявления изменений в объекте, их оценки, предупреждения и устранения негативных процессов. Указанные системы включают технические средства контроля параметров технического состояния, диагностические модели, которые должны обеспечивать оценку текущей работоспособности сварных конструкций с учетом особенностей их изготовления и условий эксплуатации. Повышение эффективности диагностических систем связано с использованием моделей, позволяющих провести оценку работоспособности объекта по сведениям, полученным неразрушающими методами контроля параметров технического состояния.

Разработка таких моделей диагностики требует изучения закономерностей многостадийного, многомасштабного, многофакторного процесса разрушения. Еще не установлены зависимости между критериями, оценивающими сопротивляемость разрушению на различных масштабных уровнях. В этом направлении особую практическую роль имеет связь между макрокритериями, которые определяют конструктивную прочность элемента конструкции, и микрокритериями, определяющими сопротивляемость микроструктуры металла развитию субмикротрещин. Указанная фундаментальная зависимость могла бы стать основой комплексной неразрушающей диагностики металлических конструкций, обеспечивающей создание расчетных алгоритмов оценки остаточной долговечности с учетом текущей поврежденности металла.

Целью работы явилось: на основе предложенной физико-механической модели образования и развития разрушения в феррито-перлитных сталях создать диагностическое обеспечение, позволяющее осуществить оценку остаточной долговечности сварных конструкций на базе сведений о состоянии ее элементов, полученных неразрушающими методами.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— разработать структурно-механическую модель кинетики разрушения, устанавливающую зависимость между микрои макрохарактеристиками сопротивляемости материала развитию трещин;

— получить решение задачи определения параметров напряженно-деформированного состояния в вершине макротрещины при реализации степенного закона упрочнения металла;

— создать расчетные методы определения пороговых и критических характеристик по сведениям о состоянии микроструктуры;

— изучить влияние деградации свойств металла на развитие усталостного и хрупкого разрушения и предложить метод, позволяющий оценить изменение характеристик трещиностойкости металла в процессе эксплуатации;

— разработать алгоритм и расчетную схему оценки продолжительности стадии зарождения и развития макротрещины при поличастотном нагружении на базе сведений о состоянии металла напряженных элементов обследуемой конструкции, полученных неразрушающим методом;

— изучить влияние технологических факторов на процесс зарождения и развития разрушения;

— создать комплекс оборудования, методики и комплект прикладных программ, позволяющих по текущей информации о состоянии объекта, полученной на базе неразрушающих методов, произвести оценку его остаточной работоспособности и определить время до следующего обследования.

При решении поставленных задач получены новые научные результаты, обеспечивающие создание систем неразрушающей диагностики крупногабаритных конструкций.

1. На базе комплексного статистического анализа организационного строения микроструктурных элементов феррито-перлитных сталей установлено, что размеры структурных мод металлов, не подверженных воздействию механических сил, подчиняются закону геометрической прогрессии ^+п=с[, ф (где и=1,2,3,.- # - коэффициент, равный 1,39ч-1,43- ф — линейный размер моды). Пластическое деформирование металла сопровождается образованием фраг-ментированной (диссипативной) структуры, которая определяет механические свойства металлов в процессе разрушения. Размеры фрагментированных мод зависят от размеров исходной структуры в соответствии с зависимостью <Н 1,6−1,65)2Й^ .

2. Предложена физико-механическая модель развития макротрещины типа I в поликристаллических материалах, основанная на реализации возможности образования «гриффитовских» субмикротрещин в зоне предразрушения и учитывающая различную роль компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине трещины при образовании субмикротрещин и разрушении перемычки между макрои микротрещиной.

Физико-механическая схема стабильного развития макротрещины представляется следующим образом. В процессе нагружения около вершины трещины развивается зона предразрушения, внутри которой напряжения равны или больше критических напряжений, соответствующих условию Гриффитса для данного металла. Границей этой зоны является соответствующая кривая равной интенсивности напряжений (о?). При достижении границы о} в направлении eri размера элемента фрагмента диссипативной структуры создаются условия для образования стабильных микротрещин, ориентацию которых относительно макротрещины задают напряжения <т2, так как в зоне предразрушения <72>c7i из-за крайне неоднородной пластической деформации. Если микротрещина возникает достаточно близко к вершине макротрещины, то в перемычке напряжения сг? снимаются и напряжения сгразрушают перемычку, при этом макротрещина подрастает на величину, равную расстоянию между макрои микротрещиной.

3. Получено решение задачи распределения напряжений в вершине трещины при степенном законе упрочнения, которое совместно с установленными закономерностями фрагментации структурного строения поликристаллов при пластическом деформировании легло в основу создания расчетных зависимостей пороговых характеристик (Kth, AKth) от простых механических свойств и параметров структуры металлов. Разработана методика расчетного определения пороговых характеристик для любых значений асимметрии цикла нагружения, что обеспечивает возможность аналитического построения диаграммы усталости металлов.

4. На базе предложенной физико-механической модели и представлений о накоплении критической энергии в структурных элементах, расположенных в зоне предразрушения, определены условия наступления предельного состояния тела с трещиной. Принято, что критическим следует считать такое состояние, когда макротрещина за один цикл нагружения может продвинуться на расстояние равное (0,6-r0,8)d3epHa. Именно такой момент характеризует начало нестабильного роста трещины.

Получены расчетные зависимости критических характеристик К ¡-с и Sic от простых механических свойств и параметров структуры металлов.

5. Установлено, что остаточные сварочные напряжения (ОСН) при воздействии внешних переменных напряжений изменяют не только асимметрию цикла нагружения, но и в некоторых случаях существенно увеличивают размах суммарной амплитуды напряжений, действующих в районе сварных соединений. Концентрация суммарных напряжений происходит в области растягивающих напряжений около окончания прерывистых швов при действии внешних напряжений вдоль шва, а также в кольцевых швах сосудов давления в переходной зоне между сжимающими и растягивающими ОСН.

6. На основании результатов численного моделирования развития трещины в активной зоне сварного соединения установлены основные закономерности перераспределения ОСН в процессе роста поверхностной макротрещины. Показано, что при развитии трещины в области ее вершины знак растягивающих ОСН не изменяется даже в том случае, когда вершина трещины оказывается в районе сжимающих ОСН.

7. Установлено неоднозначное влияние ОСН на развитие поверхностных трещин. Показано, что при ориентации поверхностных трещин вдоль шва растягивающие ОСН ускоряют развитие разрушения в низкоамплитудных областях КДУР и несколько замедляют рост трещин в высокоамплитудных областях. Сжимающие ОСН замедляют развитие разрушения. Для сквозных трещин наблюдается противоположное влияние: растягивающие напряжения замедляют, а сжимающие ускоряют развитие усталостного разрушения.

8. Предложена формула для расчета снижения критического коэффициента интенсивности напряжения от срока и температуры эксплуатации. Расчет критерия хрупкой прочности, учитывающий ослабление межзеренных (межатомных) связей за счет проявления тепловой и водородной хрупкости, позволяет определить критическую трещину в текущий момент эксплуатации.

Научные результаты работы легли в основу ряда методик расчета остаточной долговечности и создания систем практической диагностики сварных конструкций. Разработана методика, комплект программ и комплекс оборудования, позволяющие проводить неразрушающую диагностику и оценку остаточного ресурса с учетом технологической наследственности фактической начальной поврежденности элементов при изготовлении и эксплуатации конструкций в условиях воздействия коррозионно-активных сред. Созданы алгоритмы и расчетные схемы, обеспечивающие оценку продолжительности стадии образования макротрещин и стадии стабильного ее развития при поличастотной нагрузке на базе текущей информации о состоянии структуры материала, полученной неразрушающими методами.

Доработана технология съема информации о состоянии структуры металла элементов эксплуатирующихся конструкций с помощью реплик.

Разработана расчетная методика оценки снижения механических характеристик металлов в процессе эксплуатации в зависимости от времени, температуры и исходных свойств.

Предложен расчетный метод построения диаграммы усталости металлов.

Разработана методика определения наиболее слабого звена сварного соединения в реальных условиях эксплуатации, что позволяет оптимизировать технологию сварки на базе критериев конструктивной прочности.

Установлены основные факторы, влияющие на развитие разрушения в коррозионно-активных средах при коррозионно-усталостном разрушении сварных элементов из феррито-перлитных сталей. Предложен расчетный метод определения продолжительности стадии образования макротрещины в развивающемся коррозионном дефекте.

На базе коэрцитиметрического метода разработан метод оценки механических свойств труб поверхности нагрева котлов в процессе эксплуатации. Получены зависимости, позволяющие провести ранжировку труб на стадии изготовления блоков поверхностей нагрева. Внедрение в промышленность этого метода при капитальном ремонте котлоагрегатов в Дальневосточном регионе и разработанных систем диагностики дало суммарный экономический эффект более 2,5 млн руб. (по ценам до 1989 года).

Материалы диссертации включены в учебный процесс. Они составили основу дисциплины «Техническая диагностика» и вошли в дисциплины «Физика и прочности» и «Проектирование сварных конструкций» для студентов специальности 1205 «Оборудование и технология сварочного производства» .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Физико-механическая модель страгивания и развития макротрещины, основанная на особенностях формирования локального напряженного состояния и микромеханизмов образования субмикротрещин в зоне предразрушения и на разделении роли компонентов напряжений в вершине трещины на стадии образования субмикротрещин и на стадии разрушения перемычки между микрои макротрещиной, а также учитывающая закономерности образования фрагментированной структуры с болыпеугловыми границами.

2. Решение задачи определения параметров напряженно-деформированного состояния в вершине трещины для степенного закона упрочнения металла.

3. Полученные однозначные аналитические зависимости между пороговыми (Ко, AKth критическими {К?с, Sic) макрохарактеристиками, оценивающими конструктивную прочность, и микрохарактеристиками сопротивления металла развитию разрушения, определяемыми структурой металла.

4. Метод расчетной оценки остаточной долговечности сварных элементов при действии двухчастотной нагрузки, учитывающий фактическую поврежден-ность, состояние структуры металла, снижение механических характеристик в процессе эксплуатации и воздействие коррозионно-активных сред.

5. Установленный эффект концентрации суммарных напряжений из-за наличия ОСН при определенных схемах действия внешнего нагружения, полученные закономерности перераспределения ОСН при развитии поперечной относительно шва трещины в активной зоне сварного соединения и установленные закономерности влияния ОСН на развитие поверхностных и сквозных трещин, расположенных вдоль шва.

6. Расчетная методика построения диаграммы усталости по сведениям о микроструктуре металлов. Методика определения наиболее «слабой» зоны сварного соединения с учетом параметров действующей нагрузки, позволяющая провести оптимизацию технологии сварки на базе критериев конструктивной прочности.

7. Неразрушающий метод оценки остаточной работоспособности поверхностей нагрева котельных агрегатов.

8. Методика проведения технической диагностики эксплуатирующихся крупногабаритных металлических конструкций из феррито-перлитных сталей, основанная на информации о текущем состоянии структуры и на разработанных расчетных методах оценки продолжительности различных стадий разрушения в данных условиях эксплуатации и использовании комплексной методики не-разрушающего контроля.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе получено 5 авторских свидетельств на изобретения. Под руководством автора защищено 3 кандидатских диссертации. Наиболее важные положения работы докладывались: на научно-технических конференциях по сварке в судостроении и судоремонте (Владивосток, 1983, 1984, 1987 гг.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспектива развития электротехнологии» (Иваново, 1987 г.) — Дальневосточной научно-технической конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» (Владивосток, 1987 г.) — Дальневосточной научно-технической конференции «Пути ускорения НТП в сварочном производстве» (Владивосток, 1988 г.) — Всесоюзном совещании «Оценка предельного состояния теплоэнергетического оборудования» (Союзтехэнерго, 1988 г.) — Всесоюзном совещании «Применение ЭВМ в научных исследованиях и разработках» (ЦНИИЧермет, Москва, 1988 г.) — Всесоюзной конференции «Прочность материалов и конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения» (Киев, 1988, 1992 гг.) — Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел" (Звенигород, 1988 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания новой техники освоения шельфа» (Горький, 1989 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы снижения материалостойкости силовых конструкций» (Горький, 1989 г.) — Международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, 1990 г.) — Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, Киев, 1990 г.) — Международном конгрессе «Защита-95» (Москва, 1995 г.).