Учет влияния остаточных напряжений на распространение усталостных трещин в биметаллических корпусах сосудов давления тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

1ШЧШ-ПР0-13В0ДСТВЕШЮЕ СБЬВДИНВШЕ ПО ТШИДОПМ МАШИНОСТРОЕНИЯ "ЦНИИГШ"

Щ правах рукописи

¡ШИН Сергей Алексеевич

У/К 620.178.3:539.4

УЧЕТ ВШНИЯ ОСТАТОЧНЫХ ШИПЕНИЙ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ УСШССТШХ ТРЕЩИН В БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОРПУСАХ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ

CI.02.v56 - Динамика, прочность машин, приборов п аппаратура

Автореферат

диссертации ка сопсканпе ученой степени кандидата тзхнкческкх тук

Москва - 1592

Работа выполнена в специализированной конструкторском бюро энергетического машиностроения производственного объединения "Атоимаш51

Научный руководитель - д-р -техн.наук

Попов A.A.

Официальные оппоненты - д-р техн.наук, проф.

Маркочев В.М.

канд.техн.наук Тимофеев Б.Т.

Ведущее предприятие - 1Ьлго^онс2Шй филиал

Защита состоятся ° .¿ШЛ 1992 г. в часов

на заседании специализированного совета Д 145.03.04 при Научно-

производственном объединении по технологии машиностроения

ЦНЖГМАШ (109068, Москва, Шарикоподшипниковская ул., д. 4).

С диссертацией ыояздо ознакомиться в научно-технической

библиотеке ЦНИИШАШ.

Автореферат разослан " _1992 г.

Телефон для справок: 275-05-33

Ученый секретарь совета,

канд.техн.наук , А.Р.Мазепа

Заказ 89.Тираж 100

Подписано в печать 10.04.92г.

Группа электрографии НПО ШИИТШШ. Шг раке ао дшшнико вс кая,4

ft' 1 i i Л'-

■Л'Л

j СЩ.АЯ ХАРЛКГЬГИСТИКА РАБОТЫ

г,.-,.■>л ] Актуальность работы. Рост единичных мощностей силовых и энзр-—гетичесхкх установок и »сак следствие увеличение габаритов в сочетании с необходимость» снжжнкя мгталлоеыкостя энергоматиностроитель-ной продукция требует от создателзй новой технихп применения высокопрочных штервалов. Обычно эти глтарпалы подварены коррозив, что в спою очередь приводит к необходимости заветы элементов конструкций, выполненных пз высокопрочных иатергллов, от всевовмоетых её ввдов. Весьма часто защита от коррозии внутрнкорпуагых устройств л основного кеталла осуществляется канеечнкеи ка внутреннюю поверхность антикоррозионного покрытия - иаплавкп. Площадь антикоррозионного покрытия достаточно велика, составляет иногда несколько сот квадратных метров, технология нанесения такова, что существует возможность появления технологических дефектов в зоне сплавления основного металла и антикоррозионного покрытая.

При контроле, в процесса изготовления наплавки, выявляется различного родя индикации, которые на практике часто являются трещинами. При выходе этих трещин на внутреннюю поверхность сосуда усугубляется проблема усталостного повреждения в, как следствие, сначала происходит развитие коррозионной трещины, а в конечном счете и разрушение сосуда. Выход из строя агрегата больной ыощнос-?ие особенно в атодаой и химической промышленности, связан со значительными экономическими и социальными последствиями. Поэтому вопросы прочности и долговечности таких сосудов в течении проектного срока етссплуагзцни имеют первостепенное значение.

В течения последних 30 дэт вопросы прочности сосудов с антикоррозионным покрытием исследовались достаточно интенсивно и проводились экспериментальные оценки, но не было предложено инженерных методов анализа поведения трещин, расположенных в зоне сплавления- Этот факт отчасти объясняется трудностями метода УЗК при определении размеров трещин г, зоне сплавления, расположенных

перпендикулярно поверхности сплавления. В настоящее время эти методы находятся в стадий развития.

Целью настоящей работы является коыллехсное аналитико-экспе-р ¡ментальное исследование влияния остаточках напряжений на закономерности развития трещин в зоне сплавления н разработка метода расчета циклической трещиностойкоста элементов конструкции сосудов высокого давления с антикоррозионным покрыткем.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- получены исходные данные по зарождению п циклическому росту трещин, расположенных в зоне сплавлеиия основного металла 15Х2ШФА и антикоррозионного покрытия с учетом влияния уровня шгрукения, асимметрии цикла, остаточных напряжений для образцов одноосного растяжения ;

- получени исходные данные по распределению остаточных напряжений для биметаллических образцов из стали 15Х2ШФА ;

- предложен метод определения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) для трещины, находящейся в зоне сплавления биметаллического образца, учитывающий уровень нагруженяя, асимметрию цикла, остаточные напряжения, конфигурацию трещины ;

- для определения КИН с учетом остаточных напряжений применен метод конформного отображения ;

- разработана методика расчета подрастания трещин в зоне сплавления биметалла от цикличеких нагрузок.

Научная новизна. Подучены исходные данные по зарождению и циклическому росту трещин, расположенных в зоне сплавления биметаллического образца выполненного из стали 15Х2НМЗД. Результаты представлены с учетоы остаточных напряжений.

Разработан расчетный метод определения КИН и величины подрастания трещины от циклических нагрузок для образца со сквозной трещиной, учитывающий уровень нагрунения, асимметрию цикла,

- 5 -

остаточные напряжения, конфигурацию трещины.

Для определения КИН тресни сложной конфигурации в поле остаточных напряжения прЕмекен метод конформного отображения.

Практическая значимость. Подученные данные по зарождению и скорости роста трещины в зокз сплавления стал;: 15Х2ШМ с антикоррозионной наплавкой при различных уровнях нагрукент в асимметрии цикла и разработанная методика расчета таких трещин используются в СКВ ЭМ ПО^'ЛтЬГслап", при проведении проектных разработок корпуса реактора АСТ—500, корпуса реактора гидрокрекинга, корпуса реактора ВВЭР-IOOO, промышленных автоклавов и др.

Проведенные в работе г-селедсвания позволяют оценить иаксп-мально допустимый разкэр дефекта в зоне сплавления основного металла с антикоррозионным покрытием п позволяют таюте оценить ресурс конструкций кз биметалла, имеющих трэщкноподобнкз дефекты в зоне сплавления.

Суммарный экономически эффект от внедрения результатов работы составил 90 тыс. рублей в ценах 1991 года.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались на: заседании рабочей группы"Конструкцпон-ная прочность в атомной технике" (Москва, I9B4 г.); Есссссзпк^ симпозиуме "Механика разрушения" (ЗЬтгошзр, 1985 г.)\ заседаниях научного совета отдела прочности материалов п нонстру1щпй НПО ЦШИТЫАШ (Москва, IS82-1992 гг.).

По результата;", выполненных исследований опубликовано четыре статьи. ......"' ' ' ' ......

Структура й объем работы. Диссертационная работа состоит ira введения, тести глав, общих выводов, епнека литературы л пркяояд-ния. Она изложена на 105 страницах иашянопнекого текста, ашзчая 29 рисунков, 10 таблиц я библиограф™ из 102 иашенспгкШ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I. Влияние антикоррозионного покрытия т рост усталостных трещин в биметалле

Антикоррозионная наплавка в сосудах давления, изготовленных из сталей перлитного класса, защищает их от воздействия среды в процессе эксплуатации.

В настоящее время известно, что при сварке аустенитной стали с перлитной имеют место:

- резкое изменение структуры и физико-кеха ниче ских свойств аустенитного и перлитного металлов в зоне термического влияния, что монет приводить к появлении трещин ;

- склонность аустенитного металла к образованию трещин при сварке или наплавке ;

- наличие остаточных напряжений значительной величины и разных знаков в аустенитном и перлнтном металле, что объясняется различными коэффициентами линейного расширения аустенитного и перлитного материалов, сохраняющих после термообработки характер распределения остаточных напряжений.

Таким образом процесс роста усталостных трещин в биметалле намного сложнее, чем в основном металле, причем степень влияния зависит от технологии наплавки, химического состава и физико-механических свойств аустенитного и перлитного металлов.

Следует отметить, что при проведении проектных расчетов на прочность в соответствии с "Нормами расчета на прочность..." наличие наплавки не учитывается. В токе самое время анализ переходных режимов нормальной эксплуатации и аварийных показал, что влияние наплавки может быть очень существенно и она в этих случаях выполняет функцию тепловой защиты.

В литературном обзоре показано, что большинство проведенных исследований степени влияния антикоррозионного покрытия на работоспособность сосудов давления было направлено на рассмотрение пер-

вой стадии цнклотеского повреждения - стадии инициирования усталостной трещины и получение характеристик вязкости разругання при статическом нагрукэнин. В зткх работах отмечается целесообразность исследования и недостаточная изученность закономерностей развития трещин, расположенных в зоне сплавления перлитного металла и антикоррозионного покрытия. Большинство авторов при этом отвечает необходимость изучения влияния остаточных напряжений на рост усталостных трещин в бгметалле.

Одним кз важных аспектов изучения роста усталостных трещин является определение КИН для трещин, находящихся в полз остаточгкх напряжений.

В настоящее время хорошо рззработаны аналитические, чясленнмз и экспериментальные методы определения КИН для трещин нормального отрыва.

Численные метода реализуются в основном с помощью метода конзч-кнх элементов (13-2).

При существующем уровне развития вычислительной техники я прп наличии данных по распределению остаточных напряжений в конструкции, этот метод является весьма предпочтительным. Однако оснавным недостатком являются высокие требования к объему памяти использующейся пччясдктсяьнои техники, длительное время счета, большой объем исходной информации д-я расчетов я, как еле дет в "з, возшпеапт затруднения при использовании этого метода.

Экспериментальные методы подразделяются в основном на методы фот?упругости и гллографяческой интерферометрия, "теневых фигур", податливости.

Существующие аналитические метода определения КИН базируются на работах Мусхелидшшш, Ирвина, ¿естергаарда п Бршкэра.

Анализ существующей литературы показывает, что нет аналитических выражений КИН для сквозных трещин сложной формн, нзходязупсся в поле остаточных напряжений.

В СООТЕеТСТБШ! С ИЗЛОЖЕННЫМ сфОрмуЛИрОБаНЦ цель К ОСНОЕНЫЗ задачи работы.

2. Материалы, типы образцов, испытательное оборудование, мотодюса эксперт» нтадь них исследований, эксперкыентальшэ исследования.

В качестве материала для изготовления образцов бшш выбрана сталь 15Х2ШМ. Исходным ттеркалоа для кэготовленяя образцов слу-хшла плкта опытной партии вз стали 155С2Ш6А толщиной 2 » 105 ш с нанесенной антикоррозионной наплавкой по технологии, принятой при изготовлении АЭС.

Исходные механические свойства к хкмячеCKstí't состав исследуемых биметаллических образцов полностью соответствует предъявляемым к нем требованиям технических условий.

Образцы показаны на рис. С

о г

Толщина наплавки образца 7-8 мы, сеченне 10 х 30 ма . На образцах были выплнены элентроэроэионнш способом надрезы радиусом ^ = 0,15 мм в сторону наплавки н основного металла по I мм от сверления диаметром 2 ым, распвложенного в зоне сплавления.

Исследования были выполнены на электрогидравлической машине Hl/S - 2025 dgyn фирмы "MSI" (ФРГ) с максимальным усилием в t статическом режиме 245000 Н при осевом растяяении, в динамическом ' ■* 200000 Н с заданными параметрами усилия (мягкий релин), частоте нагруяения 2 «■ 5 fij при 293°К и коэффициенте асимметрии цикла

= - I ; 0 ; 0,3 и 0,6.

Момент зарождения и скорость распространения трещины в основном и наплавленном металле фиксировались с помощью оптического микроскопа ЫПБ-2 с ценой деления 0,05 ым.

_Исходное значение ^W, выбрано в пределах 100-350 Mía или

0,18 - 0,6 предела текучести для стали 15Х2НМФА.

Направление проката

4

Л

-1 ь

-гп-

"I

ш___.

60

и--^

' .....■■ //= 1,0

( </ = <£ 2 ) \

—1 и /4

4

А - А

£ц = 6 мм

Нэплавка /

4= 1.о

Основной металл.

I

Биметаллический образец.

8

10

Рис.

Полутени ззетеркаентальные данные по скорости роста трещины (СРТ) и заражения трещины.

Установлена слоякая зависимость числа циклов до.зарождения трещины от прикладываемой нагрузки п коэффициента асимметрии цикла, которая объясняется влиянием остаточных напряжений.

Проведено измерение остаточных напряжений в сечениях А - А и В - Б рентгеновским методом на рентгеновском дифрактометре Дрон - 2,0 с использованием хромового К излучения в решаю шагового сканирования. Съемку образцов осуществили на гониометрической приставке ГП-4, предназначенной для исследования крупнозернистых образцов с вращением образца в своей плоскости на 360° с постоянной скоростью 66 об/ыкн вокруг оси, перпендикулярной плоскости образца. Для крепления и вращения образцов размером 110x10x30 ым била специально изготовлена приставка, используемая с ГП-4. Для исследования использовались два эталона. Для основного металла - эта дон из стали 15Х2НМФА, а для наплавки - эталон из стали 08Х18Щ0Т.

Установлено, что распределение остаточных напряжений в сече-кии Б - Б апрокстируется формулой

Показано, что наличие трещины и её распространение влияет на распределение остаточных напряжений в образце.

4. Анализ результатов экспериментального исследования роста усталостной трещины в биметаллических образцах. КИН трещины, не вышедшей на поверхность (без учета остаточных на прятаний), определяется по фор:.«уле

3. Экспериментальное определение остаточных напряжений.

= А е^ч. Ь*?-* Съ. ч-

= - 0,0277 -¿^ -к- 1,544 25,57? + 124 (Ш1а) (I)

где б" - напряжение растяжения, приложенное к образцу ;

У - безразмерный коэффициент, учитывающий геометрию образца ;

CL - полу длина трещины. КИН трещины, не вышедшей на поверхность (с учетом остаточных напряжений и принципа суперпозиции), определяли по формулам для основного металла

для наплавки

а

» V, ojp-1 (4)

4 -G.

Формулы (3) и (4) преобразуются соответственно в формулы (5) о (6)

см

Kdc» я К1оя * ^«п =

-Ы^Г- «i^VIVtó <5,

ч

,н

К = К, + к

(6)

где А, В, С, Д - константы из уравнения (I).

Полученные экспериментальные данные по СРТ были представлены в логарифмических координатах ^ ЛЦ/ - А к. *

где К^ = У

Обработка экспериментальных данных велась по зависимостям

Пэриса, Смита н по формуле (9) с использованием ьязтодэ кзпкэнь-псс квадратов. Были определены коэффкцканти уравнений с и Ш » а такяе коэффициент корреляции

(?) . (8)

4 ~ -1 Й1

«

(9)

где п = г ;!; I; I *

сэ

Показано г что пра шлнх СРТ < 10"° ц/цикл с учетом остаточ-

3

ннх напряжений, формула (9) при т = — дает более точные ге-

4

зультаты вычислений СРТ.

Для определения влияния формы трещины, находящейся в поле остаточных кэпрякешй, использован катод Ыусхелшвили.

Согласно работ ЫусхелишБили, для бесконечной плоскости с конечной областью , ограниченной простым замкнутым контуром , удовлетворяющим определенным условиям, граничные условия на краю контура записываются как ■ -

чфч-* -иа^» (10)

где 2 - однозначная аналитическая функция в некоторой

области £ та плоскости переменной ^ ;

У/Ф), У/г)- функции напряжений. Для определения КИН трещина в поле остаточных напряжений использовано конформное отображение, списываемое формулой, предложенной Еережницким У

М . 2 11 (П)

Граничное условие (10) примет вод

ч>& - Щ Ш * Т® ~ Ш т

Уравнение (1£) з интегральном виде

4 ( _

¿ГЧ 1 (13)

а

Остаточные напряжения представляются уравнением (I) Решение интегрального уравнения (13) . мнется в виде

а, а-¡_ О*

Г > Ш)

5 У" - 5Г

где ох , , ... , ^ , .¿ц - постоянные .

После определения функций шпрязг-ений f(э) и коэффициент интенсивности напряжений (КИН) для трещины определяется по формул^

(к)

где Ы - угол, определяющий точку на контуре отображающей окружности.

Установлено, что уровень остаточных напряжений в биметаллических соединениях оказывает существенное влияние на период зарождения трещины в наплавленном слое в припороговой области кинетической диаграммы усталостного разрушения.

5. Расчет долговечности корпусного, оборудования'

Реальная работа конструкций может вклнчит^ в себя различный переходные режимы, режимы нарушения нормальной работы, аварийннд^

Эти режимы характеризуются величинами напряжений и , коэффициентами асимметрии цикла , остаточными напряжениями

» количеством циклов ^ и последовательностью режимов. В применении к сосудам давления разработана методика расчета подрастания трещин, расположенных в зоне сплавления цилиндрического сосуда.

Приведено сравнение результатов эксперимента с результатами расчета по предложенной методике.

В качестве примера приведен расчет долговечности корпуса реакторе ЗВЭР-1000 при наличии подповерхностного дефекта типа трещины по методике Американского общества иняенеров-механкков ( } без учета остаточных напряжений, а такке по форцуле (9)

с учетом остаточных напряжений.

Основные результаты в вывода.

1. Получены экспериментальные данные по зарождению и СРГ для биметаллических образцов.

2. Получено исходное распределение напряжений в биметаллических образцах как при наличии, так и при отсутствии трещины.

3. Показано, что распределение остаточных напряжений в биметаллических корпусах сосудов давления, выполненных по технологии принятой при изготовлении наплавленного покрытия для оборудования АЭС, характеризуется растяжением в наплавленном слое и сжатием в основном металла при различных соотношениях толщин наплавленного и основного металла к описывается уравнением типа

б^- А г* + йг1- ^ Л>

4. На уровень величины остаточных напряжений оказывает заметное влияние наличие дефектов типа трещин, находящихся в зоне сплавления. Увеличение размеров трещины снижает абсолютную величину значения остаточных напрятений в рассматоаваеиок сечонкв

конструкций сосуда.

5. Получены аналитические выражения для КИН трещины, расположенной в зоне сплавления наплавки и основного металла биметаллического образца с учетом остаточных напряжений. С использованием этих выраттений проведено исследование характера распространения трещин, построены кинетические диаграммы усталостного разрушения я установлено существенное влияние остаточных напряжений на период за-

_о

рождения н роста усталостных трещин при СРГ < 10 м/цикл, характеристиках цикла ^ = 0 е- 0,6 ; < 147 Ш1а. Данный результат особенно важен для проведения практических расчетов циклической трещиностойкостп биметаллических сосудов, так ¡сак на практике они наиболее часто подвергаются циклически.? нагрузкам с аналогичная характеристиками ( например: переходные рекяш, вибрация, колебания уровня жидкости и т.д.).

6. Предложена методика расчета кинетики роста сквозной трещины, находящейся в зоне сплавления, основного металла и антикоррозионного покрытия.

Проведен сравнительный анализ различных зависимостей по описанию кинетики роста трещин. Выбраны оптимальные зависимости скорости роста трещин (СРГ) для средней и пороговой части СРТ, учитывающие распределение остаточных напряжений.

7. Получено Бырагйниз коэффициента интенсивности напряжений (КИН) для трещин сложной формы с использованием теории функций комплексного переменного.

Для учета влияния формы сквозной трещины применен метод конформного отображения. Учет влияния формы трещины на величину КИН может привести к существенному увеличению или уменьшению самой величины КИН.

8. Проведен расчет кинетики роста трещины, расположенной в зоне сплавления и поверхностной полуэллиптической трещины, для корпуса реактора ВВЭР-1000 с учетом зависимости по СРТ, подучен-

г;ой s данной работа. Учет циклов, Еыещка характеристику ^>0,3

привел к некоторому увеличению ОРТ , и как следствие, увеличению подрастания трещины' в наплавку для трещины, расположенной в зоне сплавления. Для полуэллштнческой трещинн, учет остаточных напря-рениЯ занижает подрастание величины трещины.

9. Полученные результаты исследований внедрены на П0яАтоммаш" и используются при проведении расчэтггьгг обоснований оборудована, спускаемого на ПО "Атоьщаш".

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составил 90 тыс. рублей в ценах 1991 года.

1. Попов A.A., Йивов А.Н,, Кузин С.А. Распространение усталостных трещин в образцах с антикоррозионной ндллавкой//Завод. лаб. - 1986.- !Г> II. - с. 62-65.

2. Попов A.A., Кивов А.Н., Кузин С.А. Закономерности развития полуэллиптичерких поверхностных трещин в сталях 15Х2ШМ н ЮГН21ЙА при ыалоцикловоы нагрукениц// Трещиностойкость материалов и элементов конструкций: Тезисы докладов II Всесоюзного симпозиума по механике разрушения, Житомир, 15-17 октября 1985.-Киев, 1985 г.-Т.З,- с.95-96.

3. Анализ периода зарождения трещин в зоне концентрации напряжений при упругоплаетичэском деформировании металла// А.А.Попов.,В. Н.Артемьев,А.Н.Живов,С.А.Кузин // Там ке.-

с. 96-97.

4. Некоторые вопросы анализа хрупкой прочности оборудования АЭС и ACT. Мухин А.Н., Кузач С.А. Тезисы докладов. Координационное совещание. "Прочность и сейсмостойкость энергетического оборудования". ( с 30.05 по 3.06.85) г. Фрунзе, типография Ф.П.И, 1935, - с. 21-22.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах: