Эксплуатационный ресурс судовых сварных соединений и структурная поврежденность стали при циклических нагрузках Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Кораблестроение

D0l.org/10.5281/zenodo.807781 УДК 629.12.011

К.А. Молоков, В.В. Новиков, М.В. Китаев

МОЛОКОВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ - к.т.н., доцент, e-mail: spektrum011277@gmail.com

НОВИКОВ ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - к.т.н., доцент, e-mail: Leka1551@rambler.ru Кафедра сварочного производства Инженерной школы

КИТАЕВ МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧ - к.т.н., доцент кафедры кораблестроения и океанотехники Инженерной школы, e-mail: maxkit@mail.ru Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091

Эксплуатационный ресурс судовых сварных соединений и структурная поврежденность стали при циклических нагрузках

Аннотация: Одним из важнейших факторов в обеспечении безопасности мореплавания и эффективности эксплуатации судна является сохранение и поддержание на должном уровне технического состояния корпуса и его конструкций. Представляется необходимым иметь расчетные методики, позволяющие осуществлять и поддерживать соответствующий оперативный контроль. Наиболее полно и достоверно техническое состояние корпуса судна можно определить по предложению Г. Казанова расчетным путем с учетом истории развития структурной поврежденности корпусной стали в результате циклического нагружения корпуса. При этом в качестве диагностируемого параметра (предложенного Г. Казановым) необходимо использовать установленную с заданной вероятностью превышения протяженность структурного повреждения стальных накладных листов -«свидетелей». В этой связи авторы статьи считают необходимым установить зависимости, показывающие взаимное влияние размеров дефектов в сварных стальных соединениях, параметров циклических нагружений и продолжительное^ стадий усталостного разрушения. Установлено, что для феррито-перлитных и перлитных судостроительных сталей отношение продолжительности второй стадии разрушения к первой составляет 20% и является постоянным при величине внешней нагрузки симметричного цикла, равной пределу текучести. На базе полуэмпирических моделей механики разрушения показано, что для феррито-перлитных сталей отношение минимального размера макротрещины к размеру микротрещины, не влияющей на предел выносливости, в среднем равно 10. Это отношение характеризует переход к стабильному развитию трещины (началу второй стадии разрушения). Авторами предложены зависимости максимальных напряжений симметричной внешней нагрузки от соотношения продолжительностей стадий усталостного разрушения сварных соединений для разных марок судостроительных сталей. Ключевые слова: усталостная долговечность, структурное повреждение, макротрещина, микротрещина, ресурс, сварное соединение, стадии разрушения.

Введение

Эксплуатационный ресурс конструкций стальных морских судов зависит от образования дефектов и накопления микротрещин усталости. Развитие этих структурных повреждений зависит

© Молоков К.А., Новиков В.В., Китаев М.В., 2017

О статье: поступила: 24.03.2017; принята к публикации: 19.04.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.

от поведения материалов на атомном или молекулярном уровне. Зависимости, полученные на основании термодинамической концепции циклической прочности, позволяют математически моделировать процесс усталости материала при любом напряженном состоянии [1]. В настоящее время установлена однозначная зависимость между структурой материала и его сопротивлением разрушению [6]. Это означает, что характеристику усталостной долговечности судовых конструкций достоверно определяет деградация корпусной стали вследствие развития ее структурной повре-жденности. Поэтому оценку прочности и прогнозирование целесообразно осуществлять с учетом истории развития повреждаемости. Для иллюстрации накопления и развития повреждений на рис. 1-3 представлены фотографии микроструктуры образцов корпусной стали в исходном состоянии (без повреждений) и после длительной эксплуатации большого танкера (с дефектом) [2, 4].

Рис. 1. Микроструктура корпусной стали в Рис. 2. Микроструктура корпусной стали исходном состоянии. Увеличение "500. после 30 лет эксплуатации. Увеличение "500.

Рис. 3. Микроструктура стального образца с дефектом.

Увеличение "500.

Контроль технического состояния корпусов судов с учетом истории развития структурной повреждаемости мы предлагаем (по Г. Казанову) осуществлять путем использования фрагментов, выделяемых из продольных ребер жесткости палубы, участвующих в общем продольном изгибе корпуса судна и обеспечивающих его продольную прочность [3, 5]. Удаляемые фрагменты заменяются на новые с указанием даты контрольного изъятия фрагмента для диагностики структурного состояния методами металлографии. Второй способ контроля технического состояния корпуса судна заключается в использовании специально установленных накладных листов на конструкции корпуса, в которых развиваются наиболее высокие напряжения (рис. 4). Техническое состояние корпуса судна и его прогнозирование оцениваются путем сравнения остаточного расчетного ресурса конструкций корпуса судна с назначенным. Диагностируемым параметром является установленная с заданной вероятностью превышения протяженность структурного повреждения стальных накладных листов - «свидетелей», размещаемых в наиболее нагруженной части корпуса

судна. Остаточный расчетный ресурс определяется аналитически с использованием размеров структурного повреждения накладного листа.

Рис. 4. Конструкция корпуса судна и места для контроля за усталостной прочностью: 1 - продольные балки верхней палубы, которые могут использоваться для выделения фрагментов из них

Цель статьи - с помощью оценки влияния структурной поврежденности стали при циклических нагрузках определить эксплуатационный ресурс судовых сварных соединений и оценить относительную взаимосвязь продолжительности стадий разрушения и величины этих нагрузок.

Оценка влияния поврежденности на продолжительность стадий разрушения

Для исследования влияния поврежденности на продолжительность стадий разрушения выполнен численный эксперимент. Он построен на базе приведенных в работах [4, 5] зависимостей и структурно-механической модели разрушения по известному алгоритму Г. Матохина [6]. Объектом исследования были выбраны самые распространенные марки судостроительных сталей с относительно невысоким пределом текучести в количестве 8 шт. Механические характеристики этих сталей и данные по результатам расчетов ресурса первой и второй стадии мы не приводим. Численный эксперимент заключался в изучении влияния величины нагрузки симметричного цикла на отношение ресурса второй стадии разрушения к ресурсу первой. Для корректности расчетов при нагрузках за пределами текучести была использована концептуальная методика [8] с учетом корректировки предварительной поврежденности материала.

Построенные зависимости (рис. 5) показывают, что для данной группы феррито-перлитных

сталей при внешней симметричной нагрузке, соответствующей пределу текучести, отношение

N■2

N1

циклов нагружения второй стадии разрушения к первой — может составлять ~20%. Это обстоя-

тельство показывает, что для сварных соединений с остаточными сварочными напряжениями, равными пределу текучести, ресурс материала в случае циклического нагружения N2 в зоне термического воздействия может быть определен по факту появления макротрещины. Остаточный ресурс также может быть определен при условии, что асимметрия внешней нагрузки будет соответствовать заданной в численном эксперименте.

450 400

350

£ 300

5 250

•у

¡ 200

»4

^ 150 100 50 0

N2/Ni, %

Рис. 5. Максимальные напряжения внешней нагрузки симметричного цикла (<т1таж) в зависимости от соотношения продолжительности стадий усталостного разрушения сварных соединений для разных марок судостроительных сталей: ■ - СтЗсп, ♦ - 10,--09Г2, ▲ - 22к, к - 20, • - 35, + - 14Г2, • - 50.

Построенные графики изменения длины макротрещины (рис. 6) имеют характерную линейность и отражают минимальный размер макротрещины, соответствующий ~20-процентному отношению продолжительности стадий усталостного разрушения. Это обстоятельство, по данным технического диагностирования повреждения материала сварных соединений, должно соответствовать условию действия симметричного цикла нагрузки с амплитудой, равной пределу текучести материала. По расчетным данным, для СтЗсп можно говорить о 80-процентном исчерпании ресурса материала при действии симметричной нагрузки, равной пределу текучести. При этом минимальный размер макротрещины составляет 0,5 мм.

Диагностика конструкции, как правило, проводится периодически, и продолжительность ее от начала эксплуатации обычно известна. Наличие макротрещин указанного размера в стали в результате диагностирования свидетельствует об оставшихся 20% продолжительности работы сварного соединения до катастрофического разрушения. Таким образом, на базе полученных графиков (см. ртоунки 5, 6) можно сравнительно просто оценить оставшийся ресурс конструкции. Исходными параметрами при этом являются размеры дефектов в виде трещин в сварных соединениях.

0 10 20 30

3

0

0

10

20

30

Рис. 6. Изменение минимальной длины макротрещины сталей в зависимости от отношения

продолжительности стадий усталостного разрушения при изменении внешней нагрузки симметричного цикла. Обозначения: ♦ - 10, ■ - СтЗсп, ▲ - 22к, • - 50.

Известно, что надежность в эксплуатации конструкции определяется прочностью и долговечностью не только отдельных деталей, но и их сварных соединений. Подавляющее большинство сварных узлов и деталей воспринимают переменные во времени нагрузки, которые являются основным условием возникновения и развития усталостного разрушения. В связи с этим актуальным является вопрос определения момента перехода микротрещины в макротрещину при известной форме трещины в сварном шве. Авторы [10] предполагают, что это происходит при выходе трещины на стабильные значения скорости, т.е. когда отношение длины дефекта I к диаметру зерна йз станет равно 1/йз = 10.

Можно доказать в рамках анализа полуэмпирических моделей и структурного подхода, что отношение минимальной длины макротрещины (Ьт1П) к длине микротрещины (/0), не влияющей на предел выносливости, для ряда феррито-перлитных сталей является величиной постоянной и равной ~10. Покажем это при напряжениях симметричного цикла внешней нагрузки, равной пределу текучести.

Минимальная длина макротрещины зависит от максимальной нагрузки и выражается для нагрузки, равной пределу текучести

где Кш-1 - пороговый коэффициент интенсивности напряжений при симметричном цикле нагру-жения; М - коэффициент, характеризующий форму трещины и зависящий от толщины металла, глубины трещины; ат - условный предел текучести. Размер микротрещины, не влияющей на предел выносливости, определяется через предел текучести по формуле

где к = 0,03 - коэффициент для гипотезы Губера-Мизеса. Частное от деления выражений (1) к (2) будет равно:

(1)

(2)

ьтЫ _ [Кто+(г/0,вНЩпо.8-Кто)] т

10 = 4п0,03М2^К?По , ( )

где г - коэффициент асимметрии цикла. При г = 0 выражение приобретает вид

10 4п0,03 •М2

(4)

Для поверхностных трещин с коэффициентом характеристики формы М = 0,9 отношение = 3,27, а при г = —1 для рассматриваемых сталей ^^ «10.

Полученный результат расчета, таким образом, совпадает с данными в [10]. Для рассматриваемой группы сталей мы провели расчеты их характеристик. В качестве примера в табл. 1, 2 приведены результаты расчетов для двух распространенных в судостроении марок: сталь 09Г2 и сталь 35.

Таблица 1

Результаты численного эксперимента по расчету механических характеристик сталей

ь

1

Марка стали аТ/ав От, МРа об, МРа <Р, рагЬ т й3, м йс, м £ Ятс,МРа Ятсе,МРа

09Г2 0,69 310 450 0,7 0,14 4,2Е-05 1,6Е-05 0,275 0,255578 882,3529 1500

Сталь 35 0,56 315 565 0,6 0,16 4,2Е-05 1,6Е-05 0,275 0,261328 882,8125 1500,8

Таблица 2

Результаты расчетов характерных отношений и их средние значения

Марка Kth0, АКМ0.8, 10,м 0-1, 1о ^тт, ^тт ^тт ^тт

стали МРа^м МРа^м МРа^м МРа й3 м йз ' 1о

% % по (12)

09Г2 8,18 2,752 7,49 2,09Е-05 217 0,502 1,86Е-04 4,45 -55,45 10,97

Сталь 35 7,53 2,748 6,75 1,71Е-05 0,411 1,46Е-04 3,51 -64,91 10,54

Средние значения величин с учетом всех рассмотренных марок сталей (8 шт.) 7,70 -23,01 10,99

При условии начала распространения минимальной макротрещины (когда отсутствует стадия образования макротрещины) отношение ^^ = 1. Тогда из формулы (4) следует, что коэффи-

1о

циент М для трещины с характеристикой ~ = 0,33 находится в пределах:

= 0,89 <М < = 1,62 , (5)

где 0,1 - величина коэффициента по гипотезе Треска-Сен-Венана; М - корректирующий коэффициент, зависящий как от относительной длины трещины 1/Б, так и от отношения 1/2С, характеризующего ее форму; С - полудлина трещины, измеренная на поверхности материала.

Полученные результаты согласуются с графическими зависимостями в [7] для поверхностной трещины (у которой 1/Б мало, Б - толщина материала), а также для трещины, переходящей в сквозную, у которой 1/Б «1.

Можно предположить, что при нестабильной скорости микротрещины она продвигается преимущественно за счет кумулятивных повреждений, а механизм роста - преимущественно хрупкий. Для макротрещин характерен смешанный механизм продвижения. В этом случае в вершине трещины набирается поврежденность как следствие пластических деформаций в ее вершине, а её скачок происходит хрупко.

Для макроконцентраторов напряжений, таких, где линейный размер области с пластической деформацией больше Lmin, их отрицательное действие сказывается на ресурсе как первой, так и второй стадий разрушения при работе материала под напряжениями стт симметричного цикла. Для макроконцентраторов напряжений, где линейный размер области с пластической деформацией меньше Lmin, отрицательное действие концентратора сказывается на ресурсе только первой стадии разрушения. Последний случай говорит о том, что учитывать отрицательное влияние концентратора на общий ресурс следует с осторожностью, т.е. необходимо учитывать влияние размера области пластической деформации относительно Lmin и критической длины макротрещины Lc.

Заключение

Выполненное исследование взаимосвязи между размерами дефектов в сварных стальных соединениях, параметрами циклических нагружений и продолжительностью стадий усталостного разрушения позволяет провести оценку их усталостной прочности и долговечности. В комплексе это дает возможность корректировать расчетную оценку остаточного ресурса корпусов судов с учетом истории их структурной поврежденности. Отметим следующее:

- Для всех испытуемых сталей приближенно выполняется равенство N2/N1 = 1/5 при внешней нагрузке симметричного цикла с амплитудой, равной пределу текучести стали.

- Одна и та же величина повреждения не в равной степени влияет на остаточный ресурс различных сталей и определяется структурным фактором. Последний особенно сильно зависит от неоднородности сварных швов и прилегающих участков к сварным швам основного металла.

- Полученные зависимости позволяют выполнять оценку технического состояния и могут быть использованы при диагностике дефектов в виде трещин в сварных соединениях. В частности, по величине относительной продолжительности стадий разрушения стали можно косвенно оценивать трещиностойкость по стадии зарождения макротрещины.

- Показано, что отношение l/d3: 1) может зависеть от асимметрии внешней нагрузки, 2) для отнулевого цикла, по данным расчетов, составляет примерно 3,27 для поверхностных трещин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аносов А.П. Оценка ресурса судовых конструкций в условиях циклического нагружения: Дис. ... д-ра тех. наук. Владивосток: ДВГТУ, 2001. 371 с.

2. Антоненко С.В., Казанов Г.Т., Мельник В.В. и др. Восстановление общей продольной прочности танкера «Владимир Колечицкий» методом подкрепления главной палубы // Технология судоремонта: производственный и научно-технический сборник ВМФ. СПб., 2008. № 3. С. 13-20.

3. Казанов Г.Т. Обеспечение и контроль ресурса корпусов кораблей и судов // XXXXII Всерос. симпозиум по механике и процессам управления. Т. 4. М.: РАН, 2012. С. 133-144.

4. Казанов Г.Т., Новиков В.В., Турмов Г.П. Концентрация напряжений и другие особенности напряженного состояния судовых корпусных конструкций. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2014. 176 с.

5. Казанов Г.Т., Новиков В.В., Турмов Г.П. Оценка эксплуатационного ресурса корпуса судна // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2015. № 2. С. 51-62.

URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/2-23/7/ (дата обращения: 25.04.2017).

6. Матохин Г.В. Оценка ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей: монография. Владивосток: ДВГТУ, 2001. 202 с.

7. Матохин Г.В., Матохин А.В., Погодаев В.П. Прочность и надежность сварных соединений. Владивосток: ДВГУ, 1991. 92 с.

8. Молоков К.А., Славгородская А.В. Оценка поврежденности феррито-перлитных сталей при перегрузках // Морские интеллектуальные технологии. 2013. № 2. C. 56-58.

9. Новиков В.В., Турмов Г.П. Эксплуатационный ресурс судна: монография. Владивосток: Издательский дом Дальневост. федерал. ун-та, 2013. 200 с.

10. Файвисович А.В., Чура М.Н. Приближенный метод оценки продолжительности начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов // Транспортное дело России. 2011. № 10. С. 79-80.

THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE

Shipbuilding

D0l.org/10.5281/zenodo.807781

Molokov K., Novikov V., Kitaev M.

KONSTANTIN MOLOKOV, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,

Department of Welding, e-mail: spektrum011277@gmail.com

VALERY NOVIKOV, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,

e-mail: Leka1551@rambler.ru; MAKSIM KITAEV, Candidate of Engineering Sciences, Senior

Lecturer, e-mail: maxkit@mail.ru, Department of Shipbuilding and Ocean Technique

School of Engineering

Far Eastern Federal University

8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091

Life cycle of welded joints and structural damages of steel under cyclic loads

Abstract: The adequate maintenance of the ship's hull and its units are key factors that secure safe and efficient operation of the vessel. It seems necessary to have methods of calculation enabling one to exert operational control over technical condition of the ship. The method advanced by G. Kazanov is the best one for this purpose. It is based on the study of the history of the structural damages of the ship hull steel caused by cyclic loads. In this connection, the authors believe it necessary to establish mutual relationships between the sizes of the defect in wielded joints, parameters of cyclic loadings and the duration of the stages of fatigue failure. It has been found that the duration ratio of the second to the first damage stages has the constant value on conditions that the external load of symmetric cycle is equal to the yield stress. The ratio characterises the beginning of the second damage stage of crack propagation for the ferrite-pearlite steels. The authors have advanced the dependences of maximum symmetrical load stresses versus the duration of fatigue failure of welded joints for different types of shipbuilding steels.

Key words: fatigue life, structural damages, macrocrack, microcrack, resource, welded joint, failure stages. REFERENCES

1. Anosov A.P. Estimation of a resource ship structures under cyclic loading: doctoral thesis of Engineering Sciences. Vladivostok, FESTU, 2001, 371 p.

2. Antonenko S.V., Kazanov G.T., Melnik V.V. et al. Restoration of the overall longitudinal strength of the tanker Vladimir Kolechitsky by the method of reinforcement of the main deck. Technology of ship repair. St. Petersburg. 2008;3:13-20.

3. Kazanov G.T. Maintenance and control of the resource shells ships. Mechanics and Control. Vol. 4. Proceedings XXXXII Proc. Symp. M., Russian Academy of Sciences, 2012, p. 133-144.

4. Kazanov G.T., Novikov V.V., Turmov G.P. Stress concentration in ship hull structures. Vladivostok, FEFU, 2014,176 p.

5. Kazanov G.T., Novikov V.V., Turmov G.P. Evaluation of the operational life of the hull of the vessel. FEFU: School of Engineering Bulletin, 2015;2:51-62.

URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/2-23/7/ - 25.04.2017.

6. Matokhin G.V. The rating life of welded structures made of ferrite-pearlite steels, monograph. Vladivostok, 2001, 202 p.

7. Matokhin G.V., Matokhin A.V., Pogodaev V.P. Strength and reliability of welded joints. Vladivostok, FEFU, 1991, 92 p.

8. Molokov K.A., Slavgorodskaya A.V. Evaluation of the damage of ferrite-pearlitic steels under overloads. Marine Intelligent Technologies. 2013;2:56-58.

9. Novikov V.V., Turmov G.P. Operational resource of the vessel, monograph. Vladivostok, FEFU-Press, 2013.200 p.

10. Favisovich A.V., Chura M.N. Approximate method for estimating the duration of the initial stage of fatigue failure of ship propeller shafts. Transport business of Russia. 2011;10:79-80.