Хладостойкость крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

РГ6 од

9 Л Гь и 1493 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

С и V-L.il СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

Институт физико-технических проблем Севера

УДК 539.4:620.1

На правах рукописи

лыглаев александр васильевич

шлогаожость

КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ШШОКОНСТРШШ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени, доктора технических наук

Москва 1993 год

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Сибирского отделения РАН

Официальные оппоненты - член-корр. РАН Уркумцев Ю.С.

- д.т.н., проф. Романов А.Н.

- д.т.н., проф. Костенко H.A.

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский институт технологий в машиностроении (г.Москва).

Защита состоится "_" t J993 г. в '' часов

на заседании специализированного Совета Д-СШ.42.02 В Институте машиноведения им. А.А.Благонравова РАН по адресу: I0I830, г.Москва, ул.Грибоедова, 4, Имаш РАН

Ваш отзыв на автореферат в I экз., заверенный печатью, просим выслать го указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Имаш РАН по адресу: г. Москва, ул. Бардина, 4.

' Автореферат разослан " ¿W^^z-¿а 1993 г.

г УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ специализированного Совета д.т.н., профессор

Jp.<UJL

м.к.уское

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Статистика и анализ отказов техники и аварий металлоконструкций в условиях Российского Севера показывают, что наиболее опасными и убыточными- являются отказы,связанные с разрушением их ответственных элементов в условиях низких климатических температур. Такие разрушения происходят вследствие случайного сочетания ряда неблагоприятных причин, лишь в исключительных случаях - по единственной причине. Эти причины могут носить металлургический, конструктивный, технологический или эксплуатационный характер, общим для них является то, что они влияют на размер возможного очагового тре-щиноподобного дефекта металла, как инициатора хрупкого разрушения элемента конструкции. В инженерном понимании хрупкое разрушение должно быть связано с инициацией и распространением крупных магистральных трещин в условиях, когда номинальные максимальные эквивалентные напряжения в элементе конструкции ниже, чем предел текучести металлов. Понятие хладноломкости элементов конструкций подразумевает, что в условиях низких температур эксплуатации размеры грещиноподобных дефектов, служащих инициаторами хрупкого разрушения, меньше, чем размеры таких дефектов в условиях положительных температур.

Выявление особенностей влияния трещяноподобных дефектов на предельное состояние и на процесс разрушения' элементов конструкций в условиях низких температур эксплуатации и путей оценки их сопротивления хрупкому разрушению позволит разработать экономически наиболее эффективные требования по обеспечению их хладостойкости и прочности. Именно этим определяется актуальность проблемы, решаемой в настоящей работе.

Крупногабаритные тонкостенные металлоконструкции (трубопровода большого диаметра, сосуды давления, резервуары для хранения горюче-смазочных материалов, коробчатые элементы техники особобольшой грузоподъемности, строительные металлоконструкции и т.п.), в основном подвергаются статическим нагрузкам. Как показывает анализ причин их разрушения, послед^ ний акт их разрушения почти при любом виде нагружения происходит при- статических нагрузках, и трещина инициируется дефектом (например, дефектом сварки и усталостной трещиной) при статическом нагружении. Поэтому хладостойкость и прочность

конструкции в этом случае будут определяться размерами этих дефектов. Работами Алымова В.Т., Андрейкива А.Е., Баренблатта Г.И., Васильченко Г.С., Григорьева P.C., Дроздовского В.А., Ивановой B.C., Ивлева Д.Д., Новчика С.Е., Копельмана Л.А, Костенко H.A., Кошелева П.Ф., Красовского А.Я., Ларионова В.П., Лебедева A.A., Ыахутов'а H.A., Маркочева В.М., Морозова Е.М., Науманко В.П., Панасюка В.В., Партона В.З., Попова A.A., Работнова Ю.Н., Романова А.Н., Серенсена C.B., Шура г Д.Ы., Фридмана C.B., Уржумцева Ю.С., Яремы С.Я., а также зарубежных ученых Гриффитса А, Ирвина Дк., Райса Д., Кална К., Дагдейла Дк., Пеллини B.C., Лйбовица X., Ньнмана Б.Ф., и другими, разработан аппарат механики разрушения, который, в принципе, определяет и устанавливает уровень статических рабочих напряжений в момент страгивания трещины в зависимости от ее размера, но его практическое применение ограничено для тонкостенных металлоконструкций отсутствием систематических, экспериментальных исследований на натурных конструкциях (особенно, если учитывать при этом низкотемпературный фактор).

При обследовании разрушений некоторых элементов конструкций было обнарукено, что во многих случаям инициаторами разрушения служили дефекты с такими размерами, которые допускались нормами дефектоскопического контроля. В момент аварии превышения внешних рабочих нагрузок над предельными не наблюдалось. В какой-то мере, именно в связи с этим возникла проблема так называемых, "коротких" или "малых" трещин при динамическом нагруженш. Работами Бакши С.А., Баренблатта Г.И., Болотина В.В.,Борисковского В.Г., Григоряна С.С., Зобнина А. И., Качалова Л.М., Майборода В.П., Моношкова А.Н., Морозова Н.Ф., Никитина Л.В., Никифоровского B.C., Слепяна Л.И., Суворовой Ю.В., Работнова Ю.Н., Черепанова Г.П., а также зарубежных ученых Мотта Н.Ф, Акита А., Робертсона Т.е., Эрдогана Ф. и других, заложены теоретические и экспериментальные основы динамической механики разрушения, но они прямо не связаны с проблемой динамического квазихрупкого разрушения тонкостенных ме таллоконструкций.

В настоящей работе проблема коротких (малых) трещин рассматривается со егодующих позиций. Обычно лабораторными испытаниями на трещиностойкость моделируется только внешняя рабо-

•

чая нагрузка, размеры возможных, трэщиноподобных дефектов и воздействие рабочей среда. На самом делэ на элемент конструкция действуют не только рабочие статические и динамические нагрузки, но и другие силовые воздействия, возникающие, например, от высокочастотной или низкочастотной вибрации, незначительных ударных нагрузок при запуске или останове рабочих органов, трении и т.п., которые вызывают в элементе конструкции сравнительно малое повышение действующих на него напряжений. Роль этих малых динамических воздействий при разрушении статически нагруженных элементов конструкций с трещиноподобным дефектом почти не изучена. Для краткости однократное воздействие незначительной динамической'нагрузки на статически нагруженный элемент конструкции с трещиноподобным дефектом определим как статодинамическое нагружение.

Цель исследования состоит в комплексном исследовании низкотемпературных процессов разрушения и закономерностей влияния трещиноподобных дефектов на несущую способность крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций с учетом влияния низких климатических температур при статическом и статодина-мическом нагруженш.

В соответствии с поставленной "целью потребовалось рас- ' смотреть следующие задачи, решения которых выносятся на защиту:

1. Путем анализа причин разрушения элементов конструкций в условиях Российского Севера выявить и обобщить основные факторы, влияющие на уровень запаса прочности крупногабаритных тонкостенных элементов металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях низкой климатической температуры при статическом нагружении.

2. Разработать расчетно-вкспериментальные (количественные) методики оценки хладо стойкости элементов конструкций на основе результатов лабораторных испытаний образцов с трещинами с учетом влияния низкой температуры на пластичность металла и разработать метод исследования предельных кривых разрушения (т.е. совокупность методик оценки разрушающих напряжений крупногабаритной тонкостенной конструкции со сквозной трещиной по результатам лабораторных испытаний образцов и полномасштабных натурных испытаний на разрушение при однократном'

статическом нагружешш объектов исследования с трещиной в условиях низких климатических температур). -

3. Разработать методологию проведения низкотемпературных испытаний на разрушение элементов- конструкций с трещиной при монотонном возрастании внешней статической нагрузки.

"4- Провести исследование хладостойкости и прочности сосудов давления и труб из пластичных сталей путем проведения натурных испытаний их на разрушение в условиях низких клима- ■ тических температур при монотонном статическом возрастании внутреннего давления.

5. Проанализировать злияние структурной повревденности металлов на -их температуру хрупкости и исследовать влияние

..растягивающих номинальных напряжений в образце, энергии инициации трещины и температуры испытания на скорость распространения трещины, т.е. промоделировать процессы разрушения элементов конструкций при статодинамическом нагружении.

6. Обобщить основные научные положения и критерии оценки хладостойкости и прочности элементов крупногабаритных металлоконструкций при статическом и сгатоданамическом нагружении.

Методика исследования. Концепции и достижения механики разрушения с использованием критериев статической и динамической трещиностойкости. Реализация экспериментов на современных испытательных машинах ццм-юо, "Инстрон-1225", КМ-ЗО, УМЭ-ю, а также на установке и стенде собственного изготовления; станции'испытания сосудов давления и труб на разрушение . в условиях низких климатических температур и магнито-импуль-сной установки инициации и 'регистрации трещин. Установка и станция оснащены современными системами контроля и регистра-рации параметров разрушения как при статических, так и при динамических испытаниях ("СИИТ-2", "Аксамит", СФР-1). Управление экспериментами и обработка их результатов производится с использованием ПЭВМ.

Научная новизна работы. Разработаны научные основы количественной оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций путем использования температуры их эксплуатации как расчетного фактора. Научные основы количественной оценки хладостойкости исходят из: экспериментально

установленных на лабораторных образцах характеристик статической трещиностойкости в условиях низких температур и доказательства путем проведения натурных испытаний на разрушение при однократном статическом нагрукенш того, что хладостой-кость при статическом нагружении определяется второй критической температурой вязкохрупкого перехода; методологически общей схемы расчета смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода в зависимости от конструктивного оформления и схемы нагружешя крупногабаритных тонкостенных элементов конструкций; научно обоснованного расчета номинальных разрушающих статических напряжений с использованием характеристик трещиностойкости лабораторных образцов в зависимости от размера возмошых трещиноподобных дефектов в крупногабаритных тонкостенных металлоконструкциях. Предложен метод оценки хладостойкосги крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа сосудов давления и магистральных трубопроводов большого диаметра при их статическом нагрукении путем расчетного определения смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода в зависимости от конструктивных размеров и характера изменения характеристик статической трещиностойкости при понижении температуры. Впервые проведено исследование границ применимости результатов определения характеристик низкотемпературной статической трещиностойкости лабораторных образцов различных типов для оценки номинальных разрушающих напряжений и критических длин трещиноподобных дефектов, результаты которого позволили разработать метод построения предельных кривых разрушения трубопроводов большого диаметра и цилиндрических сосудов давления как с использованием результатов натурных испнтаний на разрушение в-условиях низких температур, так и с применением критериев линейной и нелинейной механики разрушения. Разработана методология проведения низкотемпературных натурных испытаний на разрушение крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций для оценки их хладостойкости (до минус 6о°), включающая; технологию проведения таких натурных испытаний в условиях низких климатических температур; программу и методику испытания на разрунение объектов исследования с трещиноподобными дефектами при однократном статическом нагружении и моделирования их поведения в условиях эксплуата- ,

ции; применение компьютерно-измерительного комплекса и современных методик и средств обработки результатов эксперимента. Предложено основное положение по интерпретации результатов натурных испытаний при однократном статическом нагруже-нии до разрушения в условиях низких климатических температур для оценки хладостойкости и прочности крупногабаритной тон-стенной металлоконструкции.

Анализ причин разрушений сложных технических систем, состоящих из элементов крупногабаритных металлоконструкций, показывают, что ка г а с трофично с ть таких аварий может иметь два различных характера; первый - спонтанное распространение магистральной трещины, а второй - последовательное разрушение несущих элементов сложной технической системы и как следствие этого - катастрофическое разрушение всей системы. Для исследования процессов инициации и распространения магистральных трещин предложено моделировать в лабораторных условиях совместное влияние на сопротивление разрушению элементов конструкций ' внешних статических рабочих нагрузок, наличие трепщно-подобянх дефектов металла и воздействие незначительных динамических нагрузок (иными словами моделировать процессы разрушения элементов конструкции с трещиной при статодинамичес-ком нагружении). Проведением такого моделирования показано, что наиболее устойчивым и независимым от внешних факторов и наиболее продолжительным является стабильный этап распространения трещины в зависимости от запаса потенциальной энергии. Предложен один из возмокннх механизмов распространения трещины со стабильной скоростью в твердом теле с системой рассеянных повреждений и дефектов, на основании которого предположено, что -в качестве критерия инициации такого распространения трещины может служить критическая скорость локальной деформации на кончике трещиноподобных дефектов. Установлено, что низкая температура эксплуатации большой механической системы повышает вероятность не только хрупкого разрушения ее несущих элементов, но и катастрофического разрушения всей системы при внезапной потери несущей способности одного из ее элементов.

Практическая ценность работы заключается в научно-обоснованном проведении исследований причин крупных аварий и раз-

рушений металлоконструкций и элементов техники в условиях Севера; в разработке теоретических и практических положений методических рекомендаций и указаний, , а также основ проекта ГОСТ по оценке трещиностойносги трубопроводов большого диаметра; в результатах проведенных натурных испытаний сосудов давления и труб для выбора оптимальной марки стали, режима сварки и технологий восстановления и ремонта металлоконструкций; в разработке информационных и нормативных документов по линии сотрудничества со специалистами стран-членов бывшей СЭВ и научно-методической комиссии Госстандарта бывшего СССР.

Фактический экономический эффект от использования ре- . зультатов исследований автора до 1991 г.составил 857000 руб.

За разработку под руководством автора Станции натурных испытаний сосудов давления и труО в условиях низких климатических температур коллектив его лаборатории награжден сзреб-рянной медалью ВДНХ СССР. Магнито-импульсная установка инициации и регистрации трещин имеет Диплом выставки "Сибприбор-90". За цикл работ по оценке хладостойкосги и прочности крупногабаритных элементов конструкций автор, в числе других сотрудников ИФТПС СО РАН, награжден третьей премией конкурса прикладных исследований по СО РАН.

Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ Института физико-технических проблем Севера СО РАН по гемам| 1 -Т10.2.8. Конструкционная прочность.и разрушение. Исследование несущей способности деталей машин и сварных металлоконструкций в экстремальных условиях Крайнего Севера. Раздел 5.Исследование влияния размеров и плотности трещин на процессы разрушения низколегированных сталей. Пост. Госстандарта СССР N139 от 01.10.81 г. РАН М10103-1127 от 21. 07.83; 1.11.1.9.Исследование и разработка методов прогнозирования работоспособности машин и металлоконструкций в условиях районов с холодным климатом. Раздел 2. Исследование и разработка метода оценки локальному динамическому нагружению напряженных элементов конструкций в условиях низких температур. Пост. ГКНТ СССР Н422 от 17-09.86. РАН N10103-1974 от 03-11.86 г. НТП "Надежность" РАН НЮ103-1540 от 24-08.87 г. "Техника Севера" Пост. ГКНТ СССР n581 от 15.06.90 г. "Научное и технологическое обеспечение создания техники для Севера" раздел 4.

Пост. ГШ СССР N368 ОТ 06.06.91.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на: Всесоюзном симпозиуме "Прикладные воцро-. сы механики разрушения в машиностроении", Ленинград, 1977; Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение металлов и сварных конструкций при низких температурах", Якутск, 1978; Международном семинаре научно-технического сотрудничества СЭВ по теме 1-13, ЧССР, Малауки, 1979; Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири, Новосибирск, 1980,1981; 4 Всесоюзной конференции "Физика разрушения", Киев, 1980; Международном конгрессе по испытанию материалов, ВНР, 'Будапешт,1982 ; 2 Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения", Житомир,1985; I Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов", Львов,1987; Всесоюзной конференции "Прочность "материалов и конструкций'при'низких температурах",Киев, 1982; Международной конференции "Зарождение и рост трещшс в металлах и в керамике - роль структуры и окружающей среды", Варна, 1591; Научно-технической конференции "Живучесть и безопасность конструкций технических систем", Красноярск,1991; Международном советско-скандинавском семинаре "Машины, материалы и конструкции в арктических условиях", Якутск, 1991.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 24 статьях, в одной монографии и в 14 тезисах докладов. Получено 3 авторских свидетельства на изобретение.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 311 страницах машинописного текста с 7 таблицами и 146 рисунками, и состоит из введения, семи глав и выводов, а также 4 Приложений. Список использованной литературы включает 246 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДБРЕАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен аналитический обзор по практическому применению механики разрушения для оценки сопротивления разрушению металлов и элементов конструкции в условиях низких климатических температур. В этой главе показано следующее.

Обеспечение достаточной хладостойкости означает предотвращение хрупких разрушений элементов конструкций при нагруз-

ках, существенно ниже расчетных. К настоящему времени общепризнанными являются два подхода такого обеспечения, базирующиеся на представлениях о критической температуре хрупкости и о критической длине дефекта. Первый подход означает запрет эксплуатации конструкции при температуре, ниже допускаемой, а второй - основан на предотвращении предельного состояния в вершине существущего или вероятного трещиноподойюго дефекта при заданных условиях нагружения и уровнях нагрузок. Оба эти подхода развивались обособленно; первый для создания новых конструкционных материалов, а второй - для разработки экспериментально-расчетных методов оценки допустимых размеров тре-щиноподобных дефектов, пропускаемых не разрушающими методами контроля. В последние годы появились работы по объединению этих подходов, но они методологически до конца разработаны для толстостенных элементов конструкций. Хладостойкость крупногабаритных тонкостенных элементов металлоконструкций под действием статических рабочих нагрузок может обеспечиваться оптимальным выбором температурного запаса по критическим температурам вязкохрупкото перехода и определяться сопротивлением страгиваю® трещины в условиях низких климатических температур. Учет вероятностного характера существования трещино-подобных дефектов и их влияния на хладостойкость элемента конструкции может быть проведен_ при выборе температурного запаса по вторым критически!,1 температурам вязкохрупкого перехода и запаса прочности по номинальным рабочим нагрузкам.-Объектом исследования были крупногабаритные тонкостенные конструкции типа сосудов давления и магистральных газопроводов большого диаметра, так как при выборе их коэффициента запаса прочности учитывается проведение дефектоскопического контроля как в процессе изготовления, так и в эксплуатации, и при этом допускаются дефекты определенных размеров, т.е. важное значение при этом имеет оценка хладостойкости и прочности их с учетом наличия трещиноподобных дефектов.

Во второй главе проведено исследование базовых характеристик трещиностойкости и хладостойкости некоторых марок низколегированных сталей и объектов настоящего исследования.

По нормативным документам хладостойкость объектов настоящего исследования обеспечивается но уровню ударной вязкости

при испытании на трехточечный изгиб стандартных образцов или по результатам ■ анализа экспериментальных данных специальных методов испытания типа штт, Робергсона, Пеллини-Пьюзака, Мо- . ношкова-Пашкова и др. Такой подход в оценке хладостойкости элементов конструкций носит сугубо качественный или голуколи--явственный характер, т.е. может служить только для ранжировки по сопротивлению хрупкому разрушению в условиях низких температур. В связи с развитием механики разрушения твердых тел имеется возможность создать количественные методы оценки хладостойкости элементов конструкции, учитывающие весь спектр факторов, влияющих на процессы зарождения и распространения разрушения конструкционных материалов в условиях низких температур. В настоящей главе разработаны научные основы количественной оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций путем использования температуры их эксплуатации как расчетного фактора, которые исходят из: экспериментально установленных на лабораторных образцах характеристик статической трещиностойкости в условиях низких температур и методологически общей схемы расчета смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода в зависимости от конструктивного оформления и схемы нагружения крупногабаритных тонкостенных элементов конструкций. Применимость разработанного подхода показана на примере расчета смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода, объектов исследования.

Исследование влияния снижения температуры испытания на характеристики статической трещиностойкости низколегированных сталей по результатам испытания образцов различных типов показало, что

- ниже температуры минус 30°С - 40°С оценка статической трещиностойкости не зависит от экспериментального способа ее проведения;

- ниже этого интервала температур испытания оценка статической трещиностойкости не зависит от типа образца;

- острота надрезов при радиусе закругления менее 0.1 мм не влияет на оценку статической трещиностойкости при температурах испытания ниже указанного интервала.

Выбран наиболее простой экспериментальный способ оценки

статической трещиностойкости тонкостенных листовых образцов, основанный на энергетическом подходе в оценке поправки на пластичность без учета упрочнения. Показано, что при температурах от 20°С до минус 70°С предложенный способ без применения скобовых датчиков дает достоверную оценку статической трещиностойкости для различных марок сталей, толщин образцов и их типов.

Экспериментальная оценка критических температур вязко-хрупкого перехода по результатам испытания лабораторных образцов показала, что

- первая критическая температура почти не зависит от размеров надрезов и для исследованных марок сталей и типов образцов всегда лежит в пределах интервала температур эксплуатации крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций;

- ранжировка сопротивления разрушении трубных сталей по второй критической температуре показала, что не обнаруживается влияние типа образца и схемы нагружения на критические температуры вязкохрушсого перехода для сталей 06Г2МБ и 18Г2ФБ, тогда как для сталей 16ГСАФ и 09Г2ФВ явно наблюдается такое влияние. Для стали 16Г2САФ установлено, что наиболее высокие вторые критические температуры получаются при определении их на образцах с центральной трещиной, и которые равны -80°С;

- на примере оценки вторых критических температур образцов, вырезанных- из труб из стали 09Г2С после различных сроков эксплуатации, показано, что после десяти лет эксплуатации изменение механического состояния металла таково, что имеется большая вероятность начала разрушения при напряжениях ниже предела текучести в пределах климатических температур эксплуатации трубопровода.

На основании проведенных исследований предложена общая схема расчетно-экспериментальной оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа сосудов давления и газопроводов большого диаметра, в котором температура эксплуатации является расчетным параметром. При этом критерий хладостойкости запишется следующим образом

где С^крг^кон ~ вторая критическая температура вязкохрупкого перехода с учетом влияния конструктивных параметров исследу-

емого объекта, размеров трещин и характера изменения параметров статической трещиностойкости при понижении температуры;

минимальная климатическая температура эксплуатации исследуемого объекта.

В работе рассмотрено условие определения второй критической температуры вязкохрупкого перехода с учетом влияния схемы на-гружения на состояние металла при разрушении трубы или сосуда давления. В связи с тем, что при продольном расположении тре-щиноподобного дефекта в стенке трубы не существует понятия негто-сечения, за вторую критическую температуру вязкохрупкого перехода в этом случае принимаем ту температуру испытания, при которой происходит переход спонтанного разрушения при полной текучести на скачок трещины при состоянии частичной "текучести отрезка грубы с трещиной длиной. 21. Схематично такое определение второй критической температуры вязкохрупкого перехода пояснено на рисЛ. Согласно этому условие определения второй критической температуры вязкохрупкого разрушения запишется в следующем виде

°ес= °о.г я?11 кс= кс< (2)

где а0с~ разрушающее тангенциальное напряжение в цилиндрической конструкции типа трубы с радиусом Н и толщиной стенки ■(;; о0-2предел текучести гладкого образца; к,® - критический коэффициент интенсивности напряжений на кончике продольной сквозной трещины в объекте исследования; кс - критический коэффициент интенсивности напряжений металла исследуемого объекта при температурах ниже минус 40°С.

Для объектов настоящего исследования оценка [*°р2]кон производится следующим образом

I). По ГОСТ 25.506-85 проводятся лабораторные испытания на статическую трещиносгойкость и строится зависимость критического коэффициента интенсивности напряжений Кс от температуры испытания а также проводятся механические испытания по ГОСТ 11150-84 для определения статических характеристик разрушения гладкого образца, по результатам которых строится зависимость предела текучести о0 2 от температуры испытания Ъ°. Далее, полученные зависимости аппроксимируются следующими эмпирическими выражениями

кс/к0= вхр <^Л0) (3)

СХЕМА ТЕКУЧЕСТИ ТРУБЫ С ПРОДОЛЬНОЙ СКВОЗНОЙ ТРИЦИНОИ ПРИ НАГР7ХЕШШ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ

Общая текучесть при оном > о0 2

Полная текучесть при онок= а0 2

Частичная текучесть при оно1[> 0-8 о0 2

о - номинальные окружные напряжения в стенке трубы н0* " - предел текучести

Рис.1

О .2

где к0 и коэффициенты аппроксимации. ао г/ Б = ехр а°/Ьз),

(4)

где б и 1; - коэффициенты аппроксимции.

2. Производится определение коэффициентов аппроксимации в формулах (3) и (4).

3. Производится оценка второй критической температуры вязко-хрупкого перехода с учетом влияния конструктивных параметров объектов настоящего исследования по формуле

^крг^кон = "Г^Т 1п Р №)1/г(1+1-б^г/Н^/)1/г]А0. (Б)

о в t - 1;.

4. Производится оценка хладостойкости исследуемого объекта по неравенству (I).

Использование предложенной схемы экспериментально-расчетной оценки хладостойкости показано на примерах;

- расчета смещения второй критической температуры вяз. кохрупкого перехода для трубы из стали 16Г2САФ по результатам определения статической трещиностойкости на образцах с центральной трещиной длиной 75 мм. При заданных конструктивных параметрах грубы (радиус трубы 0.72 м, толщина стенки 0.012 м) смещение .¿-Ь0 по .сравнению с образцом составляет.

20° и = -58*0.

ь кр2-* кон

- расчета зависимости второй критической температуры С*0 „ от радиуса трубы при одной и той же. толщине из ис-

кр^ КОН л

следованной стали 16Г2САФ. Показано, что ¡4"] „ почти ос- -

кр& КОН

тается постоянной при радиусе большем чем 0.75 м.

- ранжировки исследованных трубных сталей по сопротивлению разрушению с использованием второй критической температуры вязкохрупкого перехода. Показано, что такая ранжировка по предложенной экспериментально-расчетной оценке хладостойкости для конкретной трубы позволяет более обоснованно расставить исследуемые марки сталей в некоторый ряд по сопротивляемости хрупкому разрушении, чем по результатам оценки 1;® на образцах.

- исследования зависимости [^р2]кон для трубы из стали 09Г2С ог сроков эксплуатации по предложенной схеме экспериментально-расчетной оценки хладостойкости. Получено, что при длине сквозной продольной трещины 50 мм после 10 лет эксплуатации вероятность хрупкого разрушения наиболее велика и хрупкий скачок трещины может наблюдаться даже при положительных температурах. Такой вывод показывает, что использование результатов оценки 0^р2]кон Для определения опасности спонтанного распространения трещины после определенного периода эксплуатации дают более объективную характеристику, чем использование результатов испытаний лабораторных образцов. -

В третьей главе проведена разработка метода построения предельной кривой разрушения объектов настоящего исследования.

Как было показано в главе 2, для объектов настоящего исследования допускается возникновение квазихрупкого состояния,

т.к. хладостойкость их определяется второй критической температурой вязкохрупкого перехода. В этом случае необходимо обеспечить запас прочности по напряжениям. Для того чтобы оценить запас прочности, надо знать разрушающие напряжения с учетом температур, конструктивных параметров, размера дефекта и схемы нагружения. В связи с развитием нелинейной механики разрушения имеется возможность таких расчетов на основе результатов определения характеристик статической трещиностой-кости лабораторных образцов в условиях низких температур. Также практическое применение механики разрушения ограничено достоверностью определения критериев статической трещиностой-<ости при квазихрупком разрушении образцов.

В настоящей главе приведены результаты исследования границ применимости результатов определения характеристик низкотемпературной статической трещинютойкости лабораторных образцов различных типов для оценки номинальных разрушающих напряжений и критических длин трещиноподобных дефектов в объектах настоящего исследования. Исследования показали следующее;

Решение задачи оценки разрушающего окружного (тангенциального) напряжения одс трубопровода с продольной сквозной трещиной длиной 21 у по результатам испытания лабораторных образцов с центральной трещиной 210 при условии, что 1к= 10= I, показало, что применение формул механики разрушения для этих целей ограничено неравенством 2 < (к / о0 г)г-1/1 <7. Результаты определения характеристик трещиностойкости сталей марок 16Г2САФ, 09Г2ФБ, 06Г2МБ и 18Г2ФБ путем испытания по ГОСТ 25. 506-85 любых типов образцов, кроме образцов с центральной трещиной достаточной длины, могут быть использованы для оценки трещиностойкости линейной части магистральных газопроводов большого диаметра при низких климатических температурах эксплуатации ( -60°с и ниже), если соотношение меаду их величинами через к, и заданными длинами возможных продольных трещин удовлетворяет следующему неравенству (Кс / о0 2)г-1 / 1 < 4. В зависимости от диапазона размеров возможных макродефектов разработаны и выбраны различные методики оценки номинальных разрушающих напряжений и критических длин сквозных трещин в трубопроводах и цилиндрических сосудах давления большого диаметра как с использованием результатов натурных испытаний на

разрушение в условиях низких температур, так и с применением двухкритериального подхода в механике разрушения. Предложен метод исследования предельных нривых разрушения элементов конструкций с трещиноподобными дефектами, в котором выделена область длин возможных трещиноподобных дефектов, где для достоверной оценки предельных .разрушающих напряжений необходимо проведение натурных испытаний на разрушение объектов настоящего исследования для определения та хладостойкости при однократном статическом нагружении (см. рис.2).

В области I оценка окружных разрушающих напряженийоес и минимальных критических длин продольных сквозных трещин 2™1П может быть произведена только по характеристикам разрушения гладкого образца при статическом нагружении.

В области II трудно использовать характеристики тре-щиностойкости лабораторных образцов для достоверной оценки окружных разрушающих напряжений о0с и минимальных критических длин продольных сквозных трещин 7™1П в объектах настоящего исследования.

характеристики трещиностойкости плоских лабораторных образцов с центральной трещиной, удовлетворяющих по своим размерам

ГОСТ 25.506.85 и соотношению 2 < (К / а0 2)г-1/1 <7, где к - критический коэффициент интенсивности напряжений.

В области 17 для оценки о9с и 1™1П используются характеристики трещиностойкости образцов по Г0СТ25.506.85, удовлетворяющие следующему соотношению

<к= ^о.г'2-1 / г < 4

В этой главе также разработана методика проведения натурных испытаний цилиндрических сосудов давления с различными длинами, продольных поверхностных искусственных дефектов при однократном статическом нагружении, суть которой сводится к тому, что на объект испытания наносится несколько трещинопо-добных дефектов с различными длинами, а потом при испытании записывается диаграмма "раскрытие берегов трещины - давление" для каждого дефекта. Затем производится определения максимального давления разрушения для каждой длины дефекта.

Четвертая глава посвящена описанию результатов натурных испытаний сосудов давления и труб в условиях низких климати-'ческих температур с целью оценки их хладостойкости.

обычно под натурными испытаниями понимают исследование прочности, усталости, долговечности и живучести элементов конструкций в естественных условиях их эксплуатации. В настоящей работе предложена методология проведения низкотемпературных натурных испытаний на разрушение крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций для оценки их хладостойкости (до минус 60°).включающая; технологию проведения таких натурных испытаний в условиях низких климатических испытаний; научно-обоснованные программу и методику испытания как на разрушение объектов исследования с трепданогодобными дефектами при однократном статическом нагружении, так и моделирования их поведения по схеме нагрукения и условий эксплуатации; применение компьютерно-измерительного комплекса и современных методик и •средств обработки результатов эксперимента. Основным результатом натурных испытаний является то, что в зависимости от ответственности и норм дефектоскопического контроля крупногабаритной тонкостенной металлоконструкции предложено основное положение по интерпретации результатов её натурных испытаний при 'однократном статическом нагружении до разрушения заключаю-

щееся в том, что объект исследования, содержащий трещинопо-добный дефект с размерами, наиболее возможными при его эксплуатации, считается хладостойким и прочным, если он при таких испытаниях в условиях предельно низкой температуры его эксплуатации разрушился при номинальных напряжениях в зоне дефекта, превышающих предел текучести гладкого образца при температуре натурного испытания. Для очень ответственных металлоконструкций, не подвергающихся дефектоскопическому контролю в период эксплуатации, должно выполняться также условие по вязкости излома, удовлетворяющее температурному запасу по первой критической температуре вязкохрупкого перехода.

Для проведения натурных испытаний объектов исследования настоящей работы; сосудов давления и магистральных трубопроводов большого диаметра разработан, спроектирован и построен стенд. Нягружение исследуемых объектов производится внутренним давлением. Рабочим телом при испытаниях в условиях низких температур до -70°с является арктическое дизельное топливо. Гидравлическая система стенда состоит функционально из двух частей:системы гидронагружения и системы обслуживания(рис.3). Регистрация внутреннего давления, температуры окружающей среды и испытуемого объекта, измерение показаний тензодатчиков, а также раскрытия берегов трещиноподобдых надрезов производится с помощью компьютерно-измерительного комплекса на основе СИИТ-2 и "АКСАМИТ".

Объектами для исследования хладостойкости и прочности при статическом нагружении с использованием стенда натурных испытаний были трубы из сталей марок 17Г1С, 14Г2САФ, 0ЭГ2С и Х70 различных диаметров,а также сосуды давления различной конфигурации и размеров из марок сталей 14ХМР, 0ЭГ2С, 09Г2СЮЧ и 09ХГ2СЮЧ. Выбор" методики испытаний и обработка их результатов в каждом конкретном случае определялись особенностями эксплуатации объектов испытания в условиях низких климатических температур. В основном, все испытания можно разделить на две группы: испытания объектов с трещиноподобными надрезами и моделирование по схеме нагружения и условий эксплуатации при низких климатических температурах. Исходя из основного положения интерпретации результатов натурных испытаний крупногабаритных элементов конструкций, программа испытаний включает

| гидравлическая схема станции низкотемпературных натурных i

испытании на разрушение

Рис.3

1- резервуары для хранения арктического дизельного топлива;

2- насос низкого давления; 3- объект испытания; 4- бункер; 5- расходный бак; 6- насос высокого давления; 7- пульт управления .

следующие основные этапы;

• а) Подготовка объектов к испытанию путем нанесения в заданных местах острых механических надрезов, наклейка тен-зодатчиков в заданных местах, установка датчиков раскрытия берегов трещшюподобных надрезов и термопар для измерения температуры объекта и окружающей среды в процессе испытания.

б) Выращивание усталостных трещин путем циклирования рабочей нагрузкой объекта испытания в условиях низких климатических температур.

в) Разрушение объектов испытания путем монотонного или ступенчатого повышения статической нагрузки с одновременным фиксированием во времени показаний тензодатчиков и раскрытия берегов трещиноподобных надрезов-при заданной температуре испытания.

г) Визуальное и фрактографическое исследование поверхности излома для определения процесса зарождения и распространения разрушения.

д) Проведение технического маркировочного анализа и лабораторных испытаний образцов, изготовленных из металла объекта после натурного испытания, для определения марки металла и его механических свойств, в том числе и статической трещи-ностойкости.

е) Обработка результатов испытания в основном путем исследования предельной кривой разрушения (см. рис.2) объекта испытания.

х) Разработка рекомендаций по оценке или повышению хла-достойкости и прочности объекта испытания или по выбору оптимальной технологии сварки и ремонта в условиях низких климатических температур.

В качестве примера в диссертации приведены результаты некоторых натурных испытаний сосудов давления и труб. Этими исследованиями было показано следующее.

Отработавшие свой ресурс сосуды для хранения и транспортировки жидкой двуокиси углерода дополнительно выдержали свой рабочий режим в количестве 800 циклов при температуре испытания - 45°с и обладают достаточной хладостойкостыо, т.к. результаты их испытания на разрушение при статическом нагруже-нии при температурах около -50°с показывают, что разрушающее

давление превышало рабочее почти в 2 раза и, как показал фрак-тографический анализ, излом около дефектов был вязким. Сравнение результатов натурных испытаний новых и старых сосудов, а также анализ причин их разрушения и исследование их механических свойств, показывают что ресурс старых сосудов может быть продлен еще на три года, если число рабочих режимов на-грунения сосудов не превышает 150 циклов в год при периодическом ультразвуковом дефектоскопическом контроле сварных швов жидкостного и газового патрубков. Проведено моделирование напряженно-деформированного состояния трубопровода в талом, замерзающем и мерзлом грунте, а также разрушение грубы в мерзлом грунте. Исследование показало, что сравнение напряжений при нулевом давлении, измеренных летом и зимой, свидетельствует о значительном стеснении деформаций в стенке грубы в результате смерзания тела трубы с грунтом. Однако, после ступенчатого нагрукения трубы в замерзающем грунте до давления 5.5 МПа с выдержкой около часа и последующего стравливания до нуля летние значения главных, напряжений практически восстанавливаются. Можно предположить, чго нагружение трубы до опрессовочного давления, а затем разгрузка ее до нуля после некоторой выдержки приводят к разрыву контакта "тело тру-бы-грунт" или по крайней мере уменьшают деформации, возникающие от смерзания стенки трубы с грунтом. Разрушение трубы в мерзлом грунте при монотонном повышении давления произошло при^ давлении 16.5 МПа по основному металлу вдоль трубы, что превышает давление разрушения свободной трубы на 4.0 Мпа. Проведенные натурные испытания подтвердили применимость разработанного основного положения по интерпретации их результатов.

В пятой' главе приводятся результаты доказательства путем проведения натурных испытаний на разрушение при однократном статическом нагрукении сосудов давления того, что хладо-стойкость при статическом нагружении определяется второй критической температурой вязкохрупкого перехода.

Как показали натурные испытания труб и сосудов давления с продольными трещиноподобными дефектами до разрушения в условиях низких климатических температур на описанной в главе 4 станции, оценка хладостойкоети только установлением максималь-

ного давления разрушения при самых низких температурах эксплуатации недостаточна. Кроме того из-за технологических переделов механические свойства металла исследованных сосудов и труб меняются то такой степени, что очень трудно оценить разрушающе напряжения при заданных размерах трещин по результатам лабораторных испытаний. Было испытано три сосуда. Результаты испытания сосудов из термоупрочненной стали 09Г2СЮЧ показали следующее; Сосуд Ш с одним надрезом поперек центрального кольцевого шва разрушился при давлении 12.3 Мпа при температуре на стенке сосуда -51°с. Испытание сосуда N2 с двумя надрезами,(один поперек центрального кольцевого сварного шва, а другой то основному металлу) была прервана при давлении 7 Мпа при температуре на стенке сосуда -47°с из-за свища на месте приварки патрубка на днище сосуда. Сосуд ИЗ с такими же надрезами как и на сосуде N2, но только после более длительного циклирования при больших амплитудах, разрушился при давлении 12.7 Мпа при температуре на стенке -42°с. Визуальным осмотром и фрактографическим анализом установлено: Сосуд N1 разрушился по продольному сварному шву. Разрушение началось с внутренной поверхности двухстороннего продольного шва по центру сосуда. Причиной возникновения очага трещины послужило наличие пор и неггроваров. Около очага разрушения излом имеет участки волокнистого излома, далее прослеживается явный шевронный узор. Разрушение сосуда н2 началось с зоны сварного шва кольцевых накладок на дефектный шов приварки патрубка. Сосуд N3 разрушился почти одновременно от двух надрезов с некоторым опозданием разрушения от надреза,находящегося на кольцевом сварном иве. Результаты тензометрирования сосудов при испытании показали, что наибольшие напряжения возникают на продольном сварном шве, а наименьшие - на накладках люк-лаза. Чем больше число циклов нагрукения сосудов, тем больше влияние остаточных напряжений на уровень напряжений около сварного шва. Результаты измерения зависимости перемещения берегов надрезов показали, что линейность этой зависимости наблюдается почти до давления 7.5 Мпа.

Механические испытания на статическое растяжение показа-•ли, что основной металл обечайки и материал днища имеют идентичные прочностные и пластические свойства. При этом наблю-

дается незначительная чувствительность стали сосуда к температуре испытания. Наблюдается неравнопрочность основного металла и продольного шва обечайки. Низкотемпературные ударные испытания с осциллографированием процесса разрушения дали следукище результаты. Металл со всех исследованных участков имеет слабую'чувствительность к остроте надреза, но очень чувствителен к температуре испытания. Наименьшая статическая трещиностойкость наблюдается у металла сварного шва. Вторая критическая температура вязкохрупкого перехода данной стали равна минус 60°С. Результаты механических испытаний подтвердили пригодность термоупрочненной стаж 0ЭГ2СЮЧ для изготовления таких станционарннх конструкций, как сосуды давления, предназначенных для работы в условиях низких климатических температур. Исследование предельной кривой разрушения опытных сосудов из термоупрочненной стали 09Г2СЮЧ показало, что при вероятности существования трещиноподобных дефектов с размерами, соизмеримыми с размерами надрезов опытных сосудов, данная партия их сохраняет достаточную хладостойкость и прочность в условиях эксплуатации до минус 55°с,т.к. давление разрушения сосудов имеющих надрезы с длиной равной 70 мм и глубиной 4.6 мм намного выше рабочего давления и при этом все сосуды разрушились в условиях общей текучести при температуре испытания, соответствующей рабочей температуре эксплуатации этих сосудов (-40°с и ниже). Установлено, что для исследованного класса сталей смещение на 20+25 градусов второй критической температуры вязкохрупкого перехода, определенного на образцах по ГОСТ 25.506, достаточно для оценки хладостойкости тонкостенных металлоконструкций в первом приближении. Более точно эта температура может быть установлена по схеме .приведенной в главе 2. Результаты проведенного натурного испытания опытных сосудов до разрушения при однократном статическом нагружении в условиях низких климатических температур могут служить доказательством того, что хладостойкость при статическом нагружении определяется второй критической температурой вязкохрупкого перехода, т.к. экспериментально-расчетное определение по результатам лабораторных испытаний образцов, из-, готовленных из материала опытных сосудов, дало результаты, совпадающие с данными проведенных натурных испытаний.

В аестой главе приведены результаты исследования процессов разрушения лабораторных образцов при статодинамическом лагружении в условиях низких температур.

Как показано в Приложении 3 настоящей работы, в котором изложены результаты исследования причин разрушения элементов конструкций в условиях низких климатических температур, на практике встречаются случаи разрушения при статодинамическом нагружении. Обязательным условием при этом является наличие в элементе конструкции трещиноподобных дефектов, с размерами даже допустимыми нормами дефектоскопического контроля. Фрак-тографический анализ изломов таких разрушений показал, что интервал между критическими температурами вязкохрупкого перехода почти равен нулю. Анализ базовых механических свойств металла разрушенных элементов конструкций при статодинамическом нагружении показал, что из всех стандартна механических характеристик уровень ударной вязкости не соответствует сертификату. Исходя из этого в настоящей главе решена следующая задача..

Обычно лабораторными испытаниями на трещиностойкесть моделируется только внешняя рабочая нагрузка, размеры возможных трещиноподобных дефектов и воздействие рабочей среды. На практике же на элемент конструкции действуют не только рабочие статические и динамические нагрузки, но и другие незначительные перегрузки, возникающие, например,от высокочастотной или низкочастотной вибрации, незначительных ударных нагрузок при запуске или останове рабочих органов, трении и т.п., ке-торые, вообще-то, вызывают в элементе конструкции пренебрежимо малое повниеше действующих на него напряжений. Роль этих малых перегрузек при разрушении элементов конструкций с тре-щиноподобным дефектом почти на изучена. Поэтому в настоящем исследовании поставлена задача низкотемпературного моделирования в лабораторных условиях совместного влияния на сопротивление разрушению элемента конструкции внешних рабочих статических нагрузок, трещиноподобных дефектов и воздействия незначительных перегрузок (локальное динамическое нагружение), т.е. моделирование процесса разрушения при статодинамическом нагружении. Схематично разрушение образца при статодинамическом нагружении представлено на рис.4.

Следует заметить, что каждый из этих факторов по отдельности не должен быть единственной причиной инициации хрупкой трещины. Кроме того, как видно из постановки задачи моделиро-

СХЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ СТАТОДИНА- вания. ПР0«90000 разрушения МИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ при с та то динамическом на-

груяении, следует доказать, что при определенных условиях хрупкая трещина может инициироваться от любых дефектов при действующих напряжениях в элементе конструкции, не превышающих величину предела текучести материала. В главе проведен аналитический обзор по исследованиям процессов инициации и распространения трещины. Анализ кинетических моделей распространения трещины в твердом | геле с системой рассеянных повреждений и дефектов показывает, что в настоящее время нет однозначных критериев разрушения, описывающих процесс трещи-нообразования на кончике хрупких трещин, но было установлено, что в настоящее время подразделяют два разных уровня распространения трещины с постоянней скоростью: с максимальной скоростью, равной приблизительно скорости' волн Рэлея сгв исследуемом материале, и со скоростью ( 0.1 + 0.4)-сг. Условно можно назвать первую скорость предельной, а вторую - стабильной.

Анализ опубликованных работ по результатам измерения'скорости трещин при натурных испытаниях, так и при проведении лабораторных испытаний, позволяет сделать заключение, что имеется возможность распространения трещины с постоянной скоростью в поле постоянных напряжений или в том случае, когда номинальные напряжения выше некоторого уровня, выше которого напряжения могут колебаться. При этом вид поверхности излома может быть и вязким, т.е. разрушение срезом, и хрупким - от-

Рис.4

рнвом. При вязком разрушении постоянная скорость может быть от 100 до 350 м/с; Хрупкое разрушение обычно наблюдается при скоростях выше 400 м/с.

Для проведения моделирования процессов разрушения при статодинамическом нагружении в условиях низких температур был разработан и изготовлен стенд (рис.5) для исследования процессов инициации хрупкой трещины и распространения -стабильной трещины в условиях низких температур на модельных образцах (из оргстекла). Результаты экспериментального моделирования процессов разрушения при статодинамическом нагружении и анализ зависимостей скорости распространения трещины от ее длины показали:

- При стабильном распространении трещины при любом изменении силы и удара бойка, напряжения растяжения и температуры испытания ее скорость стремится к величине равной 220 + 250 м/сек, т.е. эту величину можно принять за скорость стабильного распространения трещины.

- На всех зависимостях скорости трещины от ее длины не видно влияния волновых процессов от удара бойка и разгрузки образца при дискретности оценки средней скорости распространения трещины на промежутке времени от 1.67-I0"5сек до 8.33-10"®сек. При заданных условиях эксперимента не получено зависимости максимальной скорости трещины от краевых эффектов.

- Температура испытания не влияет на уровень максимальной скорости распространения трещины при одинаковой силе удара бойка при одном и том же уровне напряжений растяжения образца. С понижением температуры испытания скорость стабильного распространения трещины достигается быстрее при меньших уровнях силы удара бойка и напряжения растяжения образца.

- Низкотемпературное моделирование процессов разрушения при статодинамическом нагружении показало, что наиболее устойчивым и независимым от внешних факторов и наиболее продолжительным в зависимости от запаса потенциальной энергии является этап стабильного распространения трещины, т.е.процесс трещинообразования на этом этапе обладает свойством скейлинга.

Проведенное моделирование и анализ моделей распространения трещины в твердом теле с системой рассеянных повреждений и дефектов позволили предложить один из возможных механизмов

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИНИЦИАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИНЫ

1-зарядный блок; 2-емкостный накопитель; З-магнитно-икпуль-сный индухтор; 4-разрядних; 5-боек; 6-образец; 7-сверхсхо— роотной фоторегистратор; 8-генэратор; 9-источиик подсветки; Ю-блок питания; 11-геркон;12-зеркало; 13-зеркало; 14-крио-каиера; Р-иеханическая сила растяжения образца РИС.5

распространения трещины со стабильной скоростью, как последействия распространения автоволновой деформации. Из этого механизма вытекает, что в качестве критерия инициации стабильного распространения трещины может служить критическая скорость локальной деформации на кончике дефектов любых размеров, т.е. этим самым доказывается то, что при статодинами-ческом нагружешш элемента конструкции очагом разрушения могут быть дефекты допустимых размеров по нормативно-техничес-

кой документации.

В заключительной седьмой главе сделано обобщение в виде практических рекомендаций по оценке хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций с учетом их статического и статоданамического нагружения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫВОДЫ

Решена важная народнохозяйственная проблема создания и внедрения в инженерную практику расчетных методов оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа труб и сосудов давления большого диаметра. Решение проблемы заключается в том, что путем проведения комплексного исследования низкотемпературных процессов разрушения и закономерностей влияния трещиноподобных дефектов на несущую способность крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций разработаны научные основы расчетно-экспериментального (количественного) метода оценки хладостойкости с использованием температуры эксплуатации как расчетного фактора.

Основные результат и выводы диссертационной работ зак-мсчахтся в следуюцел:

1. Разработаны научные основы количественной оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций путем использования температуры их эксплуатации как расчетного фактора, которые исходят из: экспериментально установленных на лабораторных образцах характеристик статической трещи-ностойкости в условиях низких температур и доказательства путем проведения натурных испытаний на разрушение при однократном статическом нагружении того, что хладостойкость при статическом нагруиении определяется второй критической температурой вязкохрупкого перехода; методологически общей схемы расчета смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода в зависимости от конструктивного оформления и схемы нагружения крупногабаритных тонкостенных элементов конструкций; научно обоснованного расчета номинальных разрушающих статических напряжений с использованием характеристик трещи-ностойкости лабораторных образцов в зависимости от размера возможных трещиноподобных дефектов в крупногабаритных тонко-

стенных металлоконструкциях.

2. Предложен метод оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа сосудов давления и магистральных трубопроводов большого диаметра при их статическом нагрукении путем расчетного определения смещения второй критической температуры вязкохрупкого перехода в зависимости от конструктивных размеров и характера изменения характеристик статической трещиносгойкости при понижении температуры.

3. Исследование границ применимости результатов определения характеристик низкотемпературной статической трсци-ностойкости лабораторных образцов различных типов для оценки номинальных разрушающих напряжений и критических длин трещи-ногодобннх дефектов позволило разработать метод построения предельных кривых разрушения трубопроводов большого диаметра и цилиндрических сосудов давления как с использованием результатов натурных испытаний на разрушение в условиях низких температур, так и с применением критериев линейной и нелинейной механики разрушения.

4. Разработана методология проведения низкотемпературных натурных испытаний на разрушение крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций для оценки их хладостойкости (до минус 60), включающая; технологию проведения таких натурных испытаний в условиях низких климатических температур; научно-обоснованные программу и методику испытания как на разрушение объектов исследования с трещиноподобными дефектами при однократном статическом нагрукении и моделирования их поведения по схеме нагружения и условиям эксплуатации; применение компьютерно-измерительного комплекса и современных методик и средств обработки результатов эксперимента.

5- В зависимости от ответственности и норм дефектоскопического контроля крупногабаритной тонкостенной металлоконструкции предложено основное положение по интерпретации результатов их натурных испытаний при однократном статическом наг-ружении до разрушения, заключающееся в том, что объект исследования, содержащий трещиноподобный дефект с размерами, наиболее возможными при его эксплуатации, считается хладостойким и прочным, если он при таких испытаниях в условиях предельно

низкой температура его эксплуатации разрушился при номинальных напряжениях в зоне дефекта, превышающих предел текучести гладкого образца при температуре натурного испытания. Для очень ответственных металлоконструкций должно выполняться также условие по вязкости излома, удовлетворяющее температурному запасу по первой критической температуре вязкохрупкого перехода.

6. Анализ причин разрушений сложной технической системы, состоящей из элементов крупногабаритных металлоконструкций, показывает, что катастрофичность таких аварий может носить два различных характера; первый - спонтанное распространение магистральной трещины, а второй - последовательное разрушение несущих элементов сложной технической системы и как следствие этого - катастрофическое разрушение всей системы. Исследованиями в этом направлении получены следующие результаты и выводы:

- Анализ причин разрушений статически нагруженных рабочими нагрузками крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций в момент инициации и распространения магистральной трещины позволил предложить моделировать в лабораторных условиях совместное влияние на сопротивление разрушению элементов конструкций внешних статических рабочих нагрузок, наличия трещиноподобных дефектов металла и воздействия незначительных динамических нагрузок (иными словами моделировать процессы разрушения элементов конструкции с трещиной при статодинами-ческом нагружэнии).

- Низкотемпературное моделирование процессов разрушения • при статодинамическом нагружении показало, что наиболее устойчивым и независимым от внешних факторов и наиболее продолжительным в зависимости от запаса потенциальной энергии является стабильный этап распространения трещины. Предложен один из возможных механизмов распространения трещины со стабильной скоростью твердом теле с системой рассеянных повреждений и дефектов, на основании которого предположено, что в качестве критерия.инициации такого распространения трещины может служить критическая скорость локальной деформации на кончике трещиноподобных дефектов.

- Установлено, что низкая температура .эксплуатации боль-

той механической системы повышает вероятность не только хрупкого разрушения ее несущих элементов, но и катастрофического разрушения всей системы при внезапной потери несущей способности одного из ее элементов за счет возникновения динамического воздействия.

7- Практические рекомендации, содержащие в диссертации, внедрены в качестве основных положений отраслевых нормативно-технических документов различного ранга, а результаты проведенных лабораторных и натурных испытаний сосудов давления и труб послужили основанием для выбора оптимальной марки стали, режима сварки и технологий восстановления и ремонта с учетом низкотемпературного условия их эксплуатации, что позволило получить значительный экономический эффект. Соответствующие документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы, и сведения об эффективности их использования в народном хозяйстве указаны в Приложении 4 диссертации.

Фактический экономический эффект от использования результатов исследований автора до 1992 г. составил около 860 тыс. рублей.

основные опубликованные работы по теме диссертации

1. Кошелев П.Ф., Лыглаев A.B. Применение механики разрушения для оценки прочности конструкций. /В сб. трудов Всесоюзной конференции "Работоспособность машин и конструкций". Часть I, Якутск, 1974 - С.34-42.

2. Кошелев П.Ф., Лыглаев А.В.,Несущая способность конструкций в условиях Крайнего Севера. /В сб. статей "Хладостойкость машин и конструкционных материалов". Изд-во ЯФ СОАН, Якутск, 1975 - С.21-28.

3. Лыглаев A.B., Степанов В.П. К вопросу определения к1с при испытаниях на изгиб вращающихся образцов /Там же/ - С.32-45.

4. Васильченко Г.С., Кошелев П.Ф., Лыглаев A.B., Меринов Г.Н., и др. Исследование прочности сварных соединений нетер-мообрабатываемых толстостенных конструкций. //Машиноведение. N 2, 1976 - С.76-85.

5. Кошелев П.Ф., Лыглаев A.B., О методах оценки сопротивления разрушению низколегированных сталей. /В сб."Хрупкое разруше-

ние сталей при низких температурах" Изд-во ЯФ СОАН. 1976 г.

6. Гуляев В.П., Кошелев П.Ф., Лыглаев A.B. Перспективные метода исследования хрупкого разрушения металлов.- Новосибирск; Наука, Сиб.отд-ние, 1977,- 126 с.

7. Ларионов В.П., Григорьев P.C., Лыглаев A.B., и др. Исследование распространения усталостных трещин в тонколистовых образцах./ В кн.; Физика и механика разрушения материалов при пониженных температурах.- Якутск; Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1978. - С.53-59.

8. Ларионов В.П., Лыглаев A.B., Применение уравнений Вестер-гаарда для оценки фиктивной грещиностойкости пластичных материалов/ Сб.докладов "Семинары по НГС СЭВ".- ЧССР, 1979,- С. III-II3.

9. Черский Н.В., Ларионов В.П.,Черский И.Н., Григорьев P.C., Лыглаев A.B., Проблемы техники Севера/ В кн.; Проблемы технического прогресса и развития машиностроения Сибири. Ч. 2.- Новосибирск; Наука. Сиб.отд-ние, 1980.- С.5-36.

10. Черский Н.В., Ларионов В.П., Лыглаев A.B., и др. Техника Севера./ В кн.; Проблемы технического прогресса и развития машиностроения Сибири. 4.2 - Новосибирск; 1980. - С.40-51.

11. Черский Н.В., Ларионов В.П., Лыглаев A.B., Разрушение конструкций и технико-экономические аспекты надежности / В кн.; Техника Севера. - Свердловск; Изд-во Ин-та экономики УНЦ АН СССР, 1980- С.56-64.

12. Ларионов В.П., Кошелев П.Ф., Лыглаев A.B., и др. Способ подготовки образца для оценки структурной поврежденности A.C. 972316, БИ, К 41, 1982.

13. Ларионов В.П., Егоров Ю.И., Кошелев П.Ф., Лыглаев A.B., Применение механики разрушения для оценки несущей способности магистральных трубопроводов/ В кн.; Механика разрушения и прочность конструкций при низких температурах.- Якутск; Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1983.- С.17-22.

14. Ларионов В.П., Лнглаев A.B. Оценка несущей способности трубопровода с применением критериев механики разрушения / В кн. тез. iv-го Международ, конгресса по разрушении материалов Индия, Ныо-Дели, 1984. C.I0I-I02.

15. Ларионов В.П., Григорьев P.C., Лыглаев A.B., Анализ низкотемпературных разрушений деталей машин и элементов конст-

рукций / Сб.науч.тр. "Прочность материалов при низких температурах - Киев, Наукова думка, 1984. - С.135-139.

16. Ларионов В.П., Кошэлев П.Ф., Лнглаев A.B., Способ оценки структурной поврежденное™ конструкционных материалов / Сб. науч.тр. "Прочность материалов при низких температурах - Киев, Науково думка, 1984. - C.II3-II5.

17. Лыглаев A.B. Условие хладостойкости и, долговечности элементов конструкций техники Севера/ В кн.; Прочность материалов и элементов конструкций в условиях низких температур.-Якутск; Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1985.- С.83-89.

18. Ларионов В.П., Кошелев П.Ф., Лыглаев A.B., и др. Способ контроля остаточных напряжений в образцах. A.C. II96675, БИ N45, 1985.

19. Ларионов В.П., Лыглаев A.B., Махугов H.A. и др. Методические рекомендации. Подготовка первичных материалов для исследования причин, разрушения элементов конструкций.- Якутск; Изд-во ЯФ СО'АН СССР, 1986.- 46с.

20. Ларионов В.П., Егоров D.W., Лыглаев A.B. Диссипация энергии при быстром распространении трещины/В сб.докладов I конференции по механике стран-членов СЭВ.- Г.4.- 1987.- С.56-60.

21. Ларионов В.П., Лыглаев A.B., Семенов Х.Н. и др. Магнито-импульсная установка для динамических испытаний материалов. A.C. I462153, БИ, N8, 1989.

22. Лыглаев A.B. О природе катастрофических разрушений больших механических систем// Доклада АН СССР,- 1990.- Т.312.- N3

- С. 555-557.

23. Лыглаев A.B., Сосин Т.С. Методика низкотемпературных испытаний труб и сосудов давления/ В кн.; Испытания металлических материалов и конструкций при климатических низких температурах . Сборник научных трудов.- Якутск; Изд-во ЯНЦ СО АН СССР, 1990.- С.8-13.

24. Егорова C.B., Кирьян В.И., Лыглаев A.B., и др. Испытание при низких температурах опытного сосуда, упрочненного "межкритической нормализацией".// Автомат, сварка.- 1992. -H9-I0.

- С.44-47.