CC BY
209
К.А. Муравьев
канд. техн. наук, доцент, Сургутский институт нефти и газа (филиал) ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»
МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Аннотация. Приведены результаты проверки методик исследования трещиностойкости конструкционных сталей и их сварных соединений.
Ключевые слова: трещиностойкость, сварное соединение, сталь, цистерны, сосуды.
K.A. Muravyov, Surgut institute of oil and gas
ESTIMATION OF CRACK-RESISTANCE OF STRUCTURAL STEELS
Abstract. The results of verification techniques research of crack-resistance of structural steels and their welded joints.
Keywords: fracture toughness, weld, steel, tank, receptacles.
Актуальность темы. Как известно, сжиженные газы перевозятся при большом давлении, и поэтому изготовление и эксплуатация газовых цистерн и сосудов регламентируется специальными правилами Госгазтехнадзора. Разрушение таких конструкций, как правило, приводит к серьёзным экономическим и экологическим последствиям, вследствие чего эксплуатация цистерн и сосудов давления всегда сопряжена с опасностью для обслуживающего персонала, населения, окружающей природы. Поэтому постоянно ужесточаются требования как к конструкционным сталям, из которых изготавливаются цистерны и сосуды для транспортировки сжиженных газов, так и технологии сварочно-монтажных работ. Проблема повышения трещиностойкости стальных цистерн и сосудов и их сварных соединений является весьма актуальной и имеет важное народно-хозяйственное значение.
Постановка проблемы. Инженерные конструкции, в частности, цистерны и сосуды давления, не могут выполнять свои служебные функции, если характеристики напряженно-деформированного состояния их элементов превосходят допустимые пределы. В таких случаях конструкции либо меняют свою исходную геометрическую форму, либо разрушаются. В связи с этим установление характеристик напряженно-деформированного состояния и их допустимых значений с учетом реальных условий эксплуатации и изготовления (температура, режимы термообработки, сварки, химсостав, характер нагрузок и т. д.) для материалов или для конструкции в целом представляет собой важную научно-техническую задачу. Это составляет основу инженерного расчета конструкций на прочность, жесткость, ползучесть и усталость.
Однако практика исследований последних лет свидетельствует о том, что разрушение элементов конструкций связано, как правило, с наличием концентрации напряжений, в области которой сначала происходит зарождение, а затем развитие трещины при уровне напряжений гораздо меньше предела прочности или текучести для данного материала конструкции. Важность изучения процессов распространения трещин в конструкционных материалах обусловлена также тем, что подобные случаи разрушения конструкций свидетельствуют о недостаточности оценки прочности материалов,
из которых они изготовлены, на основе стандартных механических характеристик (аВ, аТ, 5, ф, КСУ и др.). Более полную информацию о механическом поведении конструкции в условиях хрупкого разрушения (при номинальных напряжениях ниже предела текучести материала) дает использование при анализе подобных разрушений критериев оценки трещиностойкости материала КС или К1С (вязкость разрушения); критического раскрытия трещины в ее тупиковой части 5с; плотности энергии разрушения Y, работы распространения трещины при ударном нагружении КСТ и др.
Несмотря на важность данных характеристик для инженерной практики в настоящее время пока недостаточно разработаны эффективные методы их определения как для материалов, так и для сварных соединений.
Анализ литературы. Как показывает анализ отечественной и зарубежной литературы [1-6], по вопросу изучения трещиностойкости конструкционных сталей с использованием различных методов и критериев оценки нет единого мнения. Существовавшие до сих пор научно-технические и лабораторно-стендовые разработки, направленные на количественную оценку критериев трещиностойкости стальных образцов, вырезанных из цистерн и сосудов давления, имеют в своем составе противоречия и неопределенности. В частности, отсутствуют научно обоснованные рекомендации по методикам оценки параметров трещиностойкости конструкционных сталей и их сварных соединений при различных способах их нагружения; нет единого мнения в вопросах выбора образцов для лабораторных испытаний применительно к изменившимся условиям эксплуатации цистерн и сосудов.
В связи с этим возникла необходимость дополнительного изучения трещино-стойкости стальных образцов, результаты которых могут быть использованы в дальнейшем для разработки мероприятий по улучшению усталостно-прочностных характеристик таких конструкций, как железнодорожные цистерны и сосуды.
Целью работы является проверка некоторых методик оценки трещиностойкости конструкционных материалов сосудов и цистерн и их сварных соединений при статических и динамических усталостных испытаниях лабораторных образцов различных типов, а также при наличии в них дефектов сварки (непроваров, несплавлений и т.п.)
Результаты исследований и их обсуждение.
1. Трещиностойкость материалов при статическом растяжении цилиндрических образцов.
В дополнение к ГОСТ 25.506-85 на определение характеристик трещиностойкости Кс или К1С при кратковременном статическом нагружении настоящая методика предусматривает проведение испытаний цилиндрических образцов, ослабленных внешней кольцевой трещиной, находящейся в материале основы (рис. 1) или материале наплавки (рис. 2) соответственно при изучении конструкционных материалов или сварных соединений. В обоих случаях проведение таких испытаний связано с операцией выращивания усталостной трещины, которую можно воспроизвести благодаря разработанному в [5] способу образования внешней кольцевой трещины в цилиндрическом образце.
Сущность данного способа сводится к тому, что образец (см. рис. 1) устанавливается в центрах специальной установки или токарного станка (рис. 3, а) и с помощью специального нагружающего устройства (рис. 3, б), закрепленного в держателе
усталостной установки или станка, в месте кольцевого надреза подвергается круговому изгибу с последующим циклическим деформированием. В результате на дне кольцевого надреза в нагруженном образце зарождается усталостная кольцевая трещина строгой концентричности. Глубина трещины зависит от времени вращения образца или от количества циклов его деформирования. Режим нагружения образца, т. е. радиальную нагрузку при изгибе, следует выбирать в диапазоне от предела усталости до предела текучести данного материала. Иными словами, нагрузка деформирования должна соответствовать упругой стадии нагружения исходя из прочностных свойств исследуемого материала (К =0,67 К1С, где К - коэффициент интенсивности напряжений при усталостном деформировании образца; К1С - характеристика трещиностойкости материала).
Рисунок 2 - Цилиндрический образец с кольцевой наплавкой и трещиной в ней для осевого растяжения (а) и конструктивные элементы образца (б) (1-основа, 2-наплавка)
Статическая трещиностойкость материала при испытании цилиндрического образца оценивается критическим коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины К1С, называемым по Дж. Ирвину [6] вязкостью разрушения, который можно определить из соотношения [7].
Кк = о4о
■ У,
где У =
0.79л/1^1
(1)
(2)
лТЛ 1 - 0.80121 '
Р* - разрушающая нагрузка для образца с трещиной; У - поправочная функция, зависящая от значения относительного размера трещины; Л = — (сС - диаметр образца в плоскости кольцевой трещины; О - наружный диаметр цилиндрического образца).
I 2 3
Вид В
4 7 5 6 8
Рисунок 3 - Схема образования кольцевых трещин в цилиндрических образцах (а) и конструкция нагружающего устройства (б): 1 - поводковый центр; 2 - образец;
3 - вращающийся центр; 4 -шарикоподшипники; 5 - вилка наружная;
6- резцедержатель станка; 7- ось; 8 - болт
Таким образом, на основе соотношений (1) и (2), а также значения разрушающей нагрузки Р=Р* для каждого образца, устанавливаемой в результате его испытания, после определения диаметров б и О можно рассчитать характеристику К1С исследуемого материала. По количественным значениям К1С судят о сопротивляемости материала разрушению с учетом условий термообработки, структуры, химсостава и т.п.
В случае определения К1С для вязких материалов или материалов, используемых для сварных соединений, т. е. металла наплавки или сварного шва, рекомендуется конструкция образца с наплавкой выточки (см. рис. 2). Технология изготовления образца состоит в том, что его создают из материала, удовлетворяющего условиям авто-
модельности зоны предразрушения [7], вытачивают по его наружной поверхности кольцевую канавку глубиной И=0,4 К (К - радиус цилиндрического образца) и шириной 2с =3 мм и заплавляют ее исследуемым вязким материалом [8]. Затем поверхность наплавки обрабатывают (точением, шлифованием) до заданного размера цилиндра, а
посредине наплавки выполняют кольцевой надрез глубиной ^ =0,8, на дне которого
круговым изгибом [5] образуют кольцевую усталостную трещину — = 0.6 - 0.7 (й, , Ь
- соответственно наружный диаметр образца, диаметр образца с надрезом и диаметр нетто-сечения образца с трещиной). Радиус в вершине надреза <0,2 мм. Режим нагру-жения образца для получения трещины подбирают исходя их прочностных свойств материала наплавки. В результате последовательного выполнения операций по изготовлению образца с трещиной в наплавляемом материале получают образец, пригодный для определения характеристик трещиностойкости К1С вязких сталей и сварных соединений из них, причем для определения К1С используют те же соотношения (1) и (2).
Следует отметить, что данная конструкция образца обеспечивает благоприятные условия для реализации хрупкого разрушения вязкого материала за счет максимального стеснения пластических деформаций в окрестности фронта кольцевой трещины более твердым материалом. При этом испытания вязких материалов на тре-щиностойкость можно проводить на малогабаритных образцах без использования мощной испытательной техники.
2. Трещиностойкость сварных соединений при статическом растяжении трубчатых образцов.
Статическую трещиностойкость сварных соединений, как правило, оценивают исходя из рекомендаций [9], зачастую трудоемких и требующих наличия сложной техники. Нами предложены более простые методики проведения таких испытаний на трубчатых образцах с внутренними кольцевыми трещинами.
Применение трубчатых образцов позволяет оценить трещиностойкость материала в условиях, близких к эксплуатационным при работе трубопровода и сосудов давления, путем заливки во внутрь трубчатого образца жидкой среды (масло, нефть и др.).
Для получения образца изготавливают цилиндрический стержень, на наружной поверхности которого выполняют кольцевой надрез. Из вершины надреза путем кругового изгиба образуют кольцевую трещину заданной глубины. Затем надрез заполняют путем наплавки исследуемым материалом, высверливают осевое отверстие, равное диаметру оставшегося нетто-сечения образца с трещиной и окончательно обрабатывают наружную поверхность образца до заданного размера.
Для испытания на трещиностойкость сварных швов в сосудах и цистернах, работающих при высоком давлении (до 50 МПа) [10], используется трубчатый образец с внутренней кольцевой трещиной в сварном шве (рис. 4).
Методика испытания трубчатого образца состоит в следующем. В полый цилиндрический корпус 4 ввинчивают штуцер 2 с медной шайбой 3. К штуцеру с помощью накидной гайки 1 подсоединяют шланг высокого давления 5, а второй его конец - к на-
гнетателю 8. Давление фиксируют манометром 6 при повороте рукоятки 7. Образец устанавливают в захваты испытательной машины, закачивают во внутреннюю полость рабочую среду и создают необходимое давление. Затем образец разрушают осевым нагружением. Во избежание разбрызгивания рабочей среды на наружную поверхность образца надевают камеру-кожух.
Рисунок 4 - Трубчатый образец и схема испытания на осевое растяжение сварного соединения при высоком давлении: 1 - накидная гайка; 2 - штуцер; 3 - шайба;
4 - трубчатый образец; 5 - гибкий шланг; 6 - манометр; 7 - рукоятка; 8 - нагнетатель
Описанная технология герметизации соответствует рекомендациям [11] и обеспечивает высокую надежность при испытании предлагаемого образца.
По геометрическим размерам образца (й, Ск, С0) и разрушающему усилию Р*, фиксируемому в процессе эксперимента, определяют трещиностойкость металла шва сосуда давления, используя соотношения (3) и (4).
Предлагаемую методику испытания апробировали на образцах из стали 45 (в состоянии поставки; диаметр заготовки 50 мм, длина 350 мм). Заготовку протачивали на токарном станке до диаметра й = 42,5 мм в средней ее части, затем наносили кольцевой надрез до диаметра Ск = 35 мм (радиус в вершине надреза р^0,2 мм). В дальнейшем по методике [5] путем кругового изгиба при частоте вращения ш = 10 с-1 и фиксированном прогибе f = 3,0 мм выращивали кольцевую трещину (диаметр образца с кольцевой трещиной С=30 мм). Кольцевой надрез заплавляли аргонодуговой сваркой присадочным материалом из стали 3 и высверливали отверстие диаметром С0 = 30 мм, равным диаметру образца с трещиной с1.
Для снятия остаточных сварочных напряжений осуществляли нормализацию, по-
сле чего окончательно обрабатывали центральную часть образца точением и шлифованием до диаметра й = 42 мм.
Кроме того, из данного материала изготовляли вторую партию трубчатых образцов, в которых исходную трещину создавали после сборки двух частей образца по сопрягаемым поверхностям.
Испытания на статическое растяжение двух партий образцов с внутренней кольцевой трещиной проводили как в условиях давления во внутренней полости образцов (рабочая среда - машинное масло МС-20), так и в отсутствие его на испытательной машине РМ-50 при скорости перемещения активного захвата V = 0,05 мм/мин.
Используя алгоритм определения характеристик трещиностойкости по значению разрушающей нагрузки Р и геометрическим размерам образца (соотношения (3) и (4)), определяли трещиностойкость КС металла шва сварного соединения. Полученные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Средние значения Кс металла шва для стали после статического растяжения трубчатых образцов
Трещиностойкость К^ МПа л[М Спад давления АР, МПа Время разрушения образца 1, с
Р = 35 МПа Р = 0 Р = 35 МПа Р = 0
64,1 64,5 15,0 20 23
66,7 68,4 15,7 22 25
Следует отметить, что при определении характеристики К1С разрушающая нагрузка Р имела вид
Р * = Р + рПГ, (6)
4
где Р - составляющая нагрузки, фиксируемая по шкале разрывной машины; жй2
Р = ~4--величина, рассчитанная по давлению во внутренней полости образца
непосредственно перед его разрушением.
Во время эксперимента при нагрузке близкой к разрушающей, т. е. Р*=(0,8-0,9) Р, в образцах наблюдался спад давления до величины 35 МПа за счет увеличения объема внутренней полости цилиндра V в результате его деформирования.
Для проверки достоверности величины спада внутреннего давления Ар за счет увеличения объема на АV полости цилиндра в момент критического раскрытия трещины, предшествующего разрушению образца, установленного экспериментально, рассчитывали Аррасч.. При этом полагали, что давление в полости цилиндра в момент раскрытия трещины связано с его первоначальным значением ро соотношением
Р = Р0-, (7)
Б
яй2
где 5 = —--площадь круга внутренней полости цилиндра;
п<С0
50 = —0— площадь круга полости цилиндра в плоскости внутренней кольцевой 4
трещины (С = <0 + 2/, где I - полудлина внутренней кольцевой трещины). Спад внутреннего давления
Д5
ДР = Р0 -р = р0 —, (8)
5
где Д5 = П(С<2 - <0) - прирост площади за счет кольцевой трещины.
Средние значения Кс металла шва для стали З после статического растяжения трубчатых образцов.
Прирост объема АУ внутренней полости цилиндра в момент критического раскрытия трещины 5 = 5К, при котором происходит разрушение трубчатого образца, можно определить по формуле
ДУ = V - Vo =(5 - 50) Н, (9)
где Н - единичная высота полости.
Используя основные геометрические параметры образца и величину раскрытия кольцевой трещины 5к, выражение (9) можно представить в виде
ДУ = 1 (Мк)2пЯ , (10)
где Я - радиус внутреннего отверстия в плоскости кольцевой трещины.
Критическое раскрытие трещины на внутренней стенке трубчатого образца Зк=1,0 мм определяли после продольной разрезки образца с помощью инструментального микроскопа БИМ-7. В результате расчета спада внутреннего давления в трубчатом образце (см. рис. 4) с геометрическими параметрами й = 42 мм, С =35 мм, С0 = 30 мм, а также р0 = 50 МПа, проведенного с использованием выражения (8), получено Аррасч. = 13,4 МПа при изменении объема внутренней полости трубчатого образца АУ = 136 мм3 (рассчитано по соотношению (10)). Сравнение расчетных значений перепадов давления (Аррасч. = 13,4 МПа) с полученными экспериментально (Арэкс. = 15 МПа) подтверждает достоверность результатов испытаний трубчатых образцов. Фактическое давление во внутренней полости рассматриваемых образцов р = 35 МПа уменьшает разрушающую нагрузку при осевом растяжении на величину ~3500 Н.
Значения К*,, определенные экспериментально с учетом соотношения (6), оказались близкими к величинам КС, определенным после испытания образцов при отсутствии давления во внутренней полости (см. таблицу 1), что также подтверждает корректность проведенных экспериментов.
Вывод: кольцевые напряжения, возникающие в трубчатом образце от действия внутреннего давления при кратковременных статических испытаниях, несущественно влияют на изменение трещиностойкости металла шва соединений. Однако внутреннее давление, создающее дополнительные напряжения в стенке сосуда, необходимо учи-
тывать при оценке надежности изделий в процессе их эксплуатации, поскольку оно влияет на скорость распространения трещины, т. е. на время разрушения образца.
Список литературы:
1. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Портон В.З. Механика разрушения и прочность металлов: Справ. пособие. - Киев: Наукова думка, 1988. - 488 с.
2. Мешков Ю.Я. Физические основы прочности стальных конструкций. - Киев: Наукова думка, 1981. - 238 с.
3. Дильман В.Л., Остсемин А.А. Влияние дефектов на границе сплавления сварного шва на несущую способность труб // Сварка Урала: Доклады 20-й научно-техн. конф. - Нижний Тагил, 2001. - С.71-83.
4. Недосека А.Я. Основы расчета и испытания сварных конструкций. - Киев: изд-во «Индпром», 1998, - 640 с.
5. Когут Н.С. Трещиностойкость конструкционных материалов. - Львов: Высшая школа, 1986. - 160 с.
6. Ирвин Дж., Парис П. Анализ упруго-пластического состояния в вершине трещины // Механика разрушения. - 1979. - Вып.17. - С. 9-18.
7. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Ковчик С.Е. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов. - Киев: Наукова думка, 1977. - 277 с.
8. Когут Н.С. Сборный трубчатый образец для определения трещиностойкости вязких материалов и сварных соединений // Заводская лаборатория. - 1986. - №2. -С.76-78.
9. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) сварных соединений при статическом нагружении. - РД 50-260-81. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 56 с.
10. Когут Н.С. Способ испытания сварных соединений сосудов давления на трещиностойкость // Физ.-хим. механика материалов. - 1989. - №1. - С.116-118.
11. ГОСТ 11284-75. Отверстия сквозные под крепежные детали. - М.: 1977.
12. Когут Н.С., Кныш В.Г., Бортник М.С. А.с. 14 220 77 СССР. Способ изготовления трубчатого образца для определения трещиностойкости сварных соединений // Бюл. изобрет., 1988. - № 33.
List of references:
1. Panasyuk V.V., Andreykiv A.E., Porton V.Z. Fracture mechanics and the strength of metals: Ref. Manual. - Kiev: Naukova dumka, 1988. - 488 p.
2. Meshkov Y.Y. Physical basis of strength of steel structures. - Kiev: Naukova dumka, 1981. -
238 p.
3. Dilman V.L., Ostsemin А.А. Influence of defects on the border of fusing the carrying capacity of the weld pipe // Welding Of Urals: Reports of 20-th scientific-technology. conf. - Nizhnyj Tagil, 2001. -P.71-83.
4. Nedoseka АХ Osnovy calculation and test of welded structures. - Kiev: Publishing House «Ind-prom», 1998, - 640 p.
5. Kogut N.S. Fracture toughness of constructional materials. - Lvov. 1986. - 160 p.
6. Irvin D., Paris P. Analysis of Elasto-plastic State in top crack // Fracture mechanics. - 1979. -V.17. - P.9-18.
7. Panasyuk V.V., Andreykiv A.E., Kovchik S.E. The methods of evaluation of crack-resistance structural materials. - Kiev. 1977. - 277 p.
8. Kogut N.S. Modular tubular specimen to determine crack viscous materials and welded joints //
Factory laboratory. - 1986. - №2. - P.76-78.
9. Methodical instructions. Calculation and test on strength in engineering. Viscosity characterization of fracture (crack resistance) welds under static loading. - K.: 1982. - 56 p.
10. Kogut N.S. Method of testing of welded joints on fracture toughness of pressure vessels // Physical-chemical mechanics of materials. - 1989. - №1. -.116-118.
11. GOST 11284-75. Hole-cutting under the fasteners. - M.: 1977.
12. Kogut N.S., Knysh V.G., Bortnik M.S. A.s. 14 220 77 SSSR. Method of manufacture of tubular specimen to determine crack resistance of welded joints // Buluten of invention., 1988. - № 33.
