CC BY
13
УДК 621.S6.065.4+531
С.В. Марфицын, В.П. Марфицын Курганский государственный университет
О МЕРАХ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ПОЯВЛЕНИЮ ТРЕЩИН В ФОНТАННОЙ АРМАТУРЕ
Аннотация. Рассматривается вопрос об условиях появления трещин в фонтанной арматуре. Решение находится в нормальных напряжениях и сравнивается с допускаемым напряжением, приведенным в международных стандартах ANSI/API-6A.2009.
Ключевые слова: процесс разрушения, предел текучести при нормальных напряжениях, ударная вязкость.
S.V. Marfitsyn, V.P. Marfitsyn Kurgan State University
ABOUT PREVANTIVE MEASURES AGAINST CRACKING IN THE X-TREE
Abstract. The article examines the problem about cracking conditions in the X-tree. The problem solving is in the normal stress, which is compared with the working stress given in the international safety standards ANSI/API-6A.2009.
Index Terms: deterioration process, normal yield strength under normal stress, impact elasticity.
Произошедшая авария на нефтяной скважине в Карибском море в 2010 году и ряд других аварий показали необходимость пересмотреть подход к прочности фонтанной арматуры, в частности к прочности устья скважин.
За последние 50 лет наблюдается появление и развитие сравнительно нового направления в механике и физике прочности - механика разрушения. Здесь материал рассматривается как некоторая «сплошная среда, но с изменяющимися в процессе накопления повреждений свойствами; исследование зарождения взаимодействия и развития нарушений структуры материала на дислокационном и других уровнях» [1].
В реальном теле этот процесс (процесс разрушения) начинается с изменений на микроскопическом или субмикроскопическом уровне. В телах разных типов эти изменения могут иметь разный характер. Так, в металлах изменения микроструктуры, влекущие разрушение, тесно связаны с изменениями в процессе пластической деформации [2].
Почему же случаются величайшие катастрофы века из-за человеческого фактора? Дело в том, что не учитываются напряжения образования трещин. Нужно найти это предельное термодинамическое состояние, когда материал «готов» к образованию трещин.
Согласно международному стандарту ANSI/API-6A specification 2009 п. 4.3.3.2, в котором сказано, что «Mето-дология конструирования, описанная в ASME, раздел VIII, глава 2, приложение 4, может использоваться для расчета при конструировании оборудования, работающего под давлением. Напряжение, допустимое в конструкции, ограничено следующим критерием 2
5 = —S
где 5,„- интенсивность напряжений конструкции при нормальном рабочем давлении, 5__- минимальный предел текучести материала» [3].
Термодинамический запас прочности при этом составляет, например, при 16с"С 0,7686/0,6667 (15,28%) [3]. Чтобы перейти к нормальным напряжениям, воспользуемся условием Мизеса, связывающим касательные напряжения с нормальными.
Существует внутренняя термодинамическая связь между пределом текучести и минимальным напряжением образования трещин [5]. Как бы мы ни повышали предел текучести материала, это соотношение остается. Все дело в самой структуре материала: кованый он или нет, какова его ударная вязкость.
Как справедливо отметил Л.И. Слепян [1], случаи хрупкого разрушения происходят и с пластичными материалами «без всяких видимых причин и в последнее время участились. Это связано с использованием новых высокопрочных материалов, которые при стандартных испытаниях обнаруживают высокую прочность. Но при некоторых условиях конструкции из них разрушаются путем распространения трещины задолго до исчерпания расчетной несущей способности».
Если т_ - предел текучести при чистом сдвиге, то на основании условия Мизеса [2]
& 0j576o"T =>[т];
% J
0,576[сг]
Критическое напряжение т вероятности образования трещин [5]:
т^ = ОД 163. тТ .
Отсюда критическое напряжение вероятности образования трещин, выраженное через нормальное напряжение - предел текучести ат, будет равно: т* = 0,4163 * 0,576ат = 0,2398aт .
Это значит, что критическое напряжение т* , необходимое для вероятности образования трещин, значительно меньше допускаемого для нефтегазовой арматуры по ASME. А именно: 2
[а]=-3 а« 0,667а,
т.е.
0,576*0,667а
т*
= 1,6021
0,2398а
Таким образом, когда рабочее напряжение будет равно допускаемому по ASME, в изделии появляется вероятность образования трещины с соответсвующим напряжением. С учетом представленных формул для стали 09Г2С, применяемой в устьевом оборудовании с пределом ат =294 МПа и допускаемым напряжением, равным
[а] = 0,667a T = 0,667 * 294МПа = 196МПа,
[т]« 0,576 [а] = 112,9МПа,
это напряжение будет равно т* = 0,4163 * 0,576aT = 0,4163 * 0,576 * 294МПа = 70,4979МПа
70,4979 < 112,9.
То есть значительно меньше, чем допускаемое напряжение по ASME, поэтому имеется вероятность появления трещины. Чтобы этого не произошло, надо использовать материалы с более высокими механическими характеристиками, т.е. с большим пределом текучести aт . Например, если взять сталь марки 30ХГСА с a т =835МПа, то для нее критическое напряжение вероятности образования трещин равно т* =0,2398*835МПа=200,2330МПа. Тогда 200,2330/70,4979=2,8403 раза больше. Данная сталь
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК S
101
подходит по требованию безопасности с точки зрения вероятности образования трещин.
Кроме того, обзор научно-технической литературы показал, что следует учитывать направление волокон и при возможности обеспечить точное совпадение направления волокон с направлением наибольших нормальных напряжений при эксплуатации детали. «Особо важную роль в случае горячей деформации приобретает скорость деформирования, а также скорость охлаждения после деформации с большими скоростями. С помощью изменения этих двух параметров можно существенно изменять структуру металлов и сплавов, ее однородность, термическую стабильность и соответственно свойства» [7]. При этом чем меньше размеры кованой заготовки, тем лучше ее проко-вываемость, тем больше ударная вязкость. Для повышения ударной вязкости кованая заготовка должна быть индивидуальной, а не групповой для каждого типоразмера фланца и должна соответствовать ГОСТ 28919-91 на фланцевые соединения устьевого оборудования. Поэтому у кованой заготовки всегда указываются ее размеры.
Согласно международному стандарту API Specification 6A/ISO 10423 п. 7.4.9.5.6 [6], должно проводиться гидростатическое испытание седла (продолжительное). Дополнительно это гидростатическое испытание корпуса требует продления вторичного и третьего периода сдерживания давления до времени минимум 15 минут.
Дополнительно к гидростатическому (продолжительному) испытанию корпуса для индивидуального оборудования (в соответствии с п. 7.4.9.5.4) должно проводиться пневматическое испытание корпуса.
Пневмоиспытание должно проводиться при температуре окружающей среды. Среда-азот. Контроль проводится с оборудованием полностью погруженным в ванну с водой. Клапаны и дроссели должны частично быть открытыми при испытании.
Обсуждение результатов
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1 Для предотвращения трещинообразования следует применять высокопрочные кованые стали с напряжением, большим в 1,6021 раза допускаемого напряжения поASIVE.
2 Рекомендуется использовать кованую сталь с продольным направлением по отношению к нормальным напряжением волокон.
3 Необходима минимизация размеров кованой заготовки.
Список литературы
1 Слепян, Л. И. Теория трещин. Основные представления и
результаты [Текст]/Л. И. Слепян, Л. В. Троянкина.- Ленинград: Судостроение, 1976.- С.11, 23.
2 Гастев, З. А. Краткий курс сопротивления материалов [Текст]/
З. А. Гастеев.- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1977. - С. 114, 127.
3 ANSI/API-6A specification 2009 п. 4.3.3.2.- 25 с.
4 Коротовских, В. К. Термодинамические основы коэффициента
запаса прочности [Текст] / В. К. Коротовских, С. В. Марфицын // Вестник Курганского государственного университета. Серия «Технические науки». 2010. - Вып. 5. -С.10-11.
5 Коротовских, В. К. Определение критического напряжения трещин в
арматуре с использованием вероятностных критериев [Текст]/ В. К. Коротовских, С. В. Марфицын //Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении и арматуростроении : материалы Международной научо-технической конференции. - Курган : Изд-во Курганского гос. унта, 2010.- С. 213-215.
6 API Specification 6A/ISO 10423 20 редакция, 2010 п. 7.4.9.5.6.-92 с.
7 Полухин, П. И. Физические основы пластической деформации
[Текст]/П. И. Полухин, С. С. Горелик, В. К. Воронцов.- М. : Металлургия, 1982.- 371 с.
УДК 621.9.04
В.К. Коротовских, А.Г. Мезенцев Курганский государственный университет
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ НАКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТА БАУШИНГЕРА
Аннотация. В статье приведен способ повышения стойкости накатного инструмента при формообразовании зубчатых и шлицевых профилей за счет использования эффекта Баушингера.
Ключевые слова: эффект Баушингера, стойкость инструмента, усилие деформирования.
V.K. Korotovskikh, A.G.Mezentsev Kurgan State University
INCREASE OF KNURLING TOOL DURABILITY BY MEANS OF BAUSHINGER EFFECT
Abstract.The article describes the method of knurling tool durability increase while forming toothed and splined profiles by means of Baushinger Effect.
Index Terms: Baushinger Effect, tool durability, deformation effort.
Сущность холодного накатывания заключается в образовании необходимого профиля изделия за счет пластического деформирования поверхностного слоя материала заготовки при непрерывном обкатывании зубьями накатного инструмента. Внедряясь в заготовку, зубья накатного инструмента образуют впадины, а вытесняемый материал приобретает форму головок зубьев накатываемого колеса. Специальная форма инструмента и кинематика относительных движений заготовки и инструмента создают определенным образом направленное пластическое перемещение металла заготовки, что обусловливает образование требуемой формы зубчатого венца.
Метод пластической деформации по сравнению с обработкой резанием обеспечивает более высокую производительность; требует меньшего расхода материала; позволяет получить более высокое качество формируемого профиля; способствует повышению износоустойчивости готового изделия [1].
В предлагаемой статье при обработке металлов давлением, в частности при формообразовании зубчатых и шлицевых профилей изделий пластическим деформированием в холодном состоянии, предложено использовать эффект Баушингера. Проявление эффекта позволяет снизить усилия деформирования и в конечном итоге повысить стойкость формообразующего накатного инструмента.
Эффект Баушингера заключается в том, что металл, деформированный в одном направлении, имеет пониженное сопротивление пластическим деформациям при последующей нагрузке противоположного знака (рисунок 1). Кривая деформации на рисунке 1 воспроизводит предварительное нагружение (например, растяжение) образца до малых значений пластической деформации с пределом текучести оТ и последующую разгрузку. При повторном нагружении в противоположном направлении (сжатии), вследствие эффекта Баушингера предел текучести
102
ВЕСТНИК КГУ, 2013. № 2
