Главная -> Словарь

Усталостных испытаний

Для определения параметров рассмотренных моделей, входящих в , были проведены коррозионно-усталостные испытания трубной стали 17Г1С в условиях, моделирующих натурные . При постановке эксперимента принимался во внимание следующий факт: в напряженном состоянии тонкостенных конструкций, таких, как магистральные газопроводы, изготовленные из высоковязких сталей, отсутствует состояние плоской деформации в вершине трещины. Поэтому для количественного описания всех этапов развития трещи7 ны использование аппарата линейной механики разрушения представляется неправомерным. Однако на начальном этапе разрушения можно предположить, что в вершине трещины все же реализуется состояние квазиплоской деформации и справедливо уравнение Пэриса.

В настоящее время для изготовления ГМР и компенсаторов широко используются конструкционные материалы, имеющие различную природу и коррозионную стойкость, такие, как нержавеющие хромоникелевые сплавы, жаропрочные сплавы на никелевой основе, сплавы титана, к которым предъявляются требования повышенной коррозионной стойкости и сопротивляемости усталостному разрушению, а также определенные технологические требования . Исходя из предпосылки о коррозионно-механической природе разрушения ГМР и компенсаторов, были проведены сравнительные кор-розионно-усталостные испытания хромоникелевой нержавеющей стали 12Х18Н10Т и сплава на никелевой основе 12Х25Н60В15 с целью выбора материала повышенной долговечности при работе в различных коррозионно-активных средах . При этом в качестве последних были выбраны электролиты, обусловливающие различное электрохимическое поведение исследуемых сплавов: дистиллированная вода, в которой стали находятся в устойчивом пассивном состоянии; 3 %-ный раствор хлорида натрия, имитирующий пластовые воды и атмосферу морского климата, в котором возможно локальное нарушение пассивности сплавов за счет питтингообразования при наличии хлор-ионов: 60 %-ный раствор азотной кислоты как энергичный окислитель, в котором материалы находятся в области активного растворения. Причем все перечисленные среды в той или иной степени моделируют основные натурные транспортируемые продукты .

Усталостные и коррозионно-усталостные испытания плоских ленточных образцов материалов УЧЭ проводились в условиях, аналогичных описанным выше. Хотя в процессе эксплуатации сильфоны УЧЭ воспринимают периодически изменяющиеся механические нагрузки в широких спектрах частот их изменения,, наи-

Известно, что коррозионно-активная среда даже при отсутствии механических напряжений существенно изменяет физико-механические свойства металла, и состояние его поверхности, а также вызывает появление местных очагов концентрации напряжений. Тогда пребывание сильфона в периоды отключения КИП и А в контакте с остатками транспортируемой агрессивной среды может оказать значительное последействие на усталостную и кор-розионно-усталостную прочность. В связи с этим было исследовано влияние на усталостную долговечность предварительной выдержки сплавов для изготовления УЧЭ в средах и условиях, имитирующих газопромысловые. Были проведены сравнительные усталостные испытания сплавов 68НХВКТЮ и 40НКХТЮМД после их предварительной выдержки в течение 168 часов в среде, имитирующей по активности натурную: 5 % NaCl + 0,5 % СН3СООН при температуре 25 °С и парциальном давлении сероводорода, равном 1МПа. Экспозиция сплавов в электролите значительно изменила их физико-механические свойства. Так, например, микротвердость сплава 40НКХТЮМД возросла от 5 000 МПа до 5 600 МПа , а сплава 68НХВКТЮ соответственно - от 3 750 МПа до 4 550 МПа . Это связано с наводороживанием сплавов в используемой среде. В результате происшедших изменений физико-механических свойств исследованных сплавов их усталостная долговечность значительно понизилась: у сплава 40НКХТЮМД примерно в 2 раза, у 68НХВКТЮ - в 1,5. Фрактографические исследования поверхности усталостных изломов сплавов, предварительно выдержанных в электролите, показали уменьшение количества вязких составляющих по сравнению с изломами, полученными на сплавах в исходном состоянии. Особенно значительно повлияла предварительная выдержка в наводороживающеи среде на характер разрушения сплава 40НКХТЮМД. Изломы имеют плоскую поверхность с фасетками скола, на ней видны микропоры, которые можно интерпретировать как бывшие центры поглощения водорода в дефектных участках кристаллической решетки металла. Поверхность излома сплава 68НХВКТЮ испещрена микротрещинами, возникшими, по-видимому, из-за значительного увеличения его твердости при повышении давления молекулярного водорода, накопленного в ловушках.

S качестве исследуемых материалов были выбраны плоские тонколистовые образцы аустенитной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т как основного материала ГМР и компенсаторов, а также титанового сплава ВТ 1-0 в связи с его высокой удельной прочностью и повышенной коррозионной стойкостью . Усталостные испытания проводили путем симметричного перегиба образцов вокруг шаблонов, обеспечивающих заданную амплитуду деформации , при частоте нагружения 50 циклов в минуту. В качестве модельной коррозионно-активной среды используется 3 %-ный раствор хлорида натрия, вызывающий локальную депассивацию указанных сплавов. Испытания проводились по специальной программе, предусматривающей после наработки заданного числа циклов нагружения проведение рентгенографических, электрохимических и электронно-микроскопических исследований, а также определение микротвердости с целью установления взаимосвязи между получаемыми с помощью этих методов исследования параметрами. В частности, для оценки уровня накопленных микродеформаций кристаллической решетки сплавов проводился рентге-ноструктурный анализ поверхностных слоев металлов на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0 в отфильтрованном излучении

Требования к таким маслам изложены в спецификации MIL-L-27502 , принятой в 1972 г. взамен спецификации MIL-L-9236 . По последней спецификации требовались исключительно хорошие вязкостно-температурные свойства масел и проведение их испытаний в подшипниковом стенде при темпера-, туре подшипника 400 °С и масла 260 "С , оценку несущей способности не только при 75 °С, как это принято для других синтетических масел, но и при 204 °С. Кроме того, проводили специальные усталостные испытания масел при той же температуре и устанавливали уровень стабилизации температуры подшипника в случае работы на таком высоконагретом масле.

В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания.

25. Вейбулл В, Усталостные испытания и анализ их результатов. Пер. с англ.- М.: Машиностроение, 1964.- 276 с.

В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания.

Степень влияния диффузионного слоя на механические свойства стали зависит от отношения его толщины к размеру образца. Толщина распространенных жаростойких покрытий составляет от 20 до 125 мкм, поэтому для более выраженного эффекта поверхностного слоя усталостные испытания проводили на образцах диаметром 2 мм. Поскольку максимально допустимая температура эксплуатации для каждой стали различна, усталостные испытания проводили при комнатной температуре согласно ГОСТ 25.502-79. Частота нагружения образцов составляла 0,166 Гц, что исключало возможность их саморазогрева. Зависимости амплитуды напряжения от количества циклов до разрушения строили по средним значениям для пяти испытанных образцов на четырех уровнях нагрузки.

Усталостные испытания металла методом доламывания подтвердили правильность такого предположения .

Известны попытки математического моделирования процесса КР и прогнозирования времени наработки до отказа магистральных газопроводов. Так, например, У.Л. Мерсер с помощью математической обработки результатов усталостных испытаний, получив эмпирическую зависимость длины трещины от времени, нагрузки и температуры, сделал попытку распространить эту модель для количественного описания процесса КР

трещины, с другой - модель Пэриса используется только для расчета распространения трещины на среднем участке кривой циклической трещиностойкости. Поэтому, на наш взгляд, более правильным является комбинированный подход к решению данной задачи - использование модели Коффина - Мэнсона на этапе до зарождения усталостной трещины, и модели Пэриса - на стадии ее развития. Кроме того, использовать модель Пэриса без проведения дополнительных исследований по разрушению реальных труб некорректно в связи с неоднозначностью в определении начала стадии неконтролируемого развития разрушения. Для реальных трубопроводов эта стадия разрушения протекает, как правило, по вязкому механизму , и прямое использование линейной механики разрушения не представляется возможным. Поэтому более правильным, на наш взгляд, является использование для прогнозирования этой стадии модели, предложенной Кейфне-ром и др. , использовавших соотношения линейной и нелинейной механики разрушения. Данный подход и был использован для обработки результатов усталостных испытаний.

На рис. 43 приведены зависимости микроискажений кристаллической решетки аустенитной стали 18-10 от числа циклов на-гружения в малоцикловой области, показывающие стадийность усталостного процесса, имеющую различный характер при испытаниях на воздухе и в коррозионной среде. В первом случае достижение уровня микроискажений, приводящего к разрушению, приурочено к концу усталостных испытаний непосредственно перед разрушением, во втором - этот уровень достигается на ранних стадиях нагружения. При этом обнаруживается четкая корреляция между изменениями микродеформаций кристаллической решетки и потенциалами нарушения пассивного состояния: с увеличением уровня микроискажений кристаллической решетки сплава, повышающего химический потенциал его атомов, происходит падение потенциала питтингообразования.

Микрорельеф поверхности аустенитной стали 18-10. снятый методом реплик после 4 тыс. циклов нагружения на воздухе и кор-розионно-активной среде, подтверждает описанный механизм . Структура стали после коррозионно-усталостных испытаний более дефектонасышена. Различимы деформационные двойники, свидетельствующие о больших энергиях, протекающих

5.2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ.........................................................................................ПО

5.3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ.........................................................................................113

коррозионно-усталостных испытаний, поскольку в реальных конструкциях номинальные напряжения не превосходят предела текучести металла о . Тем не менее результаты анализа могут быть использованы при оценке долговечности реальных конструктивных элементов, наличие различного рода концентраторов способствует реализации в локальных областях упругоплас-тических деформаций при упругих номинальных напряжениях. Установлено, что в зоне концентраторов напряжений реализуется нагружение, близкое к жесткому, с коэффициентом асимметрии г = -1. Заметим, что приведенные зависимости . .. справедливы и для симметричного цикла нагружения, так как МХЭ не зависит от знака напряжения .

Этими зонами являются: нижняя часть цилиндрической обечайки в районе приварки опоры и зона уровня заполнения реактора коксующимся сырьем.Особо необходимо охарактеризовать данные по усталостным испытаниям , поэтому применение силицидных покрытий не должно оказывать существенного влияния на механические свойства металла относительно толстой стенки печных труб.

Наиболее простым и экономически оправданным является метод, основанный на проведений првторных усталостных испытаний металла, отобранного с действующих реакторов коксования. В этом случае встает вопрос обоснования закона суммирования поврежде-

На основании всестороннего анализа работы установок замедленного коксования определены виды и характер дефектов реакторов. Проанализирована степень изменения физико-технических, химических и усталостных характеристик металла корпуса реактора коксования. Определена неравномерность и кинетика изменения силовых и термических нагрузок на корпус реактора в течение цикла коксования. Показано, что механизм деформирования корпуса реактора соответствует закономерностям малоцикловой установки. Предложен метод расчета реакторов коксования на усталостную прочность. При этом обоснована необходимость поузлового расчета, что позволяет учесть неравномерность распределения силовых и термических нагрузок по высоте аппарата. В методе расчета также учтены особенности нагружения реактора, проявляющиеся в наличии промежуточного отдыха между циклами коксования. В соответствии с законами механики деформирования твердого металла составлены расчетные зависимости, позволявшие определить критические размеры зон пластической деформации корпуса реакторов и обосновать необходимость проведения ремонтно-вос-становительных работ для повышения уровня надежности этих аппаратов. Предложен метод оценки долговечности металла, основанный на линейном законе суммирования повреждении при проведении повторных усталостных испытаний.