CC BY
0DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-52-54
СКОРОСТИ ВЕТВЛЕНИЯ ТРЕЩИН В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
Алексеев А.А., Большев К.Н., Сыромятникова А.С.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
spinor03@gmail.com
Одной из малоизученных проблем современной механики и физики разрушения является ветвление трещины, которое наблюдается в материалах различной природы. Для экспериментального определения скорости ветвления трещины проведены серии испытаний образцов из ПММА на растяжение при разных температурах, на разрушение внутренним давлением стальных тонкостенных цилиндрических оболочек (сосудов) с измерением скорости трещины методом разрыва токопроводящих полос. Создана измерительная установка на основе прецизионного преобразователя сигналов термометров сопротивления и термопар «Теркон», соединенного с компьютером. Проведены измерения скорости трещины при прямолинейном распространении трещины и при ветвлении трещины.
Одной из малоизученных проблем современной механики и физики разрушения твердого тела является ветвление трещины, которое наблюдается в различных материалах [1-6]. На сегодняшний день нет общепринятого критерия ветвления трещины, до конца не установлен физический механизм перехода трещины от прямолинейного распространения к ветвлению. В ряде работ, проведены исследования, измерены скорости распространения и ветвления трещины в полимерных материалах [2-6]; в конструкционном материале - сталях, исследования проводились в единичных работах, в которых измерения скорости ветвления трещины не проводились [1, 7].
Для исследования ветвления трещины, измерения скорости трещины на различных этапах распространения, ветвления трещины в полимерах, были проведена серия испытаний образцов из ПММА на растяжение при разных температурах, на образцы с одного торца в средней части наносился боковой надрез глубиной 3 мм и шириной 1,5 мм фрезерным инструментом, производилось испытание на растяжение образца до разрушения в разрывной машине «Instron». В металлах были проведены серии испытаний на разрушение внутренним давлением стальных тонкостенных цилиндрических оболочек (сосудов) из стали 20, изготовленных из бесшовной трубы длиной 1500 мм, диаметром 159 мм с толщиной стенки 5 мм, с приваренными сферическими днищами толщиной 5 мм. В центральной части оболочки, наносился искусственный дефект - продольный надрез глубиной, шириной по 1,5 мм, длиной 50 мм. Нагру-жение сосуда внутренним давлением осуществлялось в результате расширения замерзающей воды - наполненный жидкостью и герметизированный сосуд охлаждался при отрицательной температуры до разрушения.
Для определения скорости трещины методом разрыва токопроводящих полос, создана установка на основе быстродействующей платы АЦП для шины PCI ЛА-н10М8-100 и прецизионного преобразователя сигналов термометров сопротивления и термопар «Теркон», соединенных с компьютером. Преобразователь «Теркон» использовался для измерения температуры поверхности трубы и окружающей среды, давления внутри сосудов. Система токопрово-дящих полос, резисторов использовалась для измерения скорости трещины.
Были проведены две серии испытаний на растяжение плоских образцов из полиметилме-такрилата (ПММА) на разрывной машине «Instron» при температурах +20 °C и -60 °C с измерением скорости трещины. При +20 °C трещина распространялась прямолинейно в плоскости, перпендикулярной направлению максимальных растягивающих напряжений; разрушающие напряжения составляли 10 МПа. Измерения скорости трещины показали следующее: зеркальная и матовая зоны поверхности разрушения соответствуют невысоким значениям скорости трещины (144-373 м/с), перьевая зона соответствует скоростям 418-454 м/с, ветвление трещины
произошло при скорости около 500 м/с. При -60 °С разрушение происходит при более высоких разрушающих напряжениях 20-30 МПа, трещина распространялись от надреза прямолинейно на расстояние 12-15 мм до точки ветвления при скорости около 750 м/с, после которой разрушение происходило путем множественного ветвления и параллельного движения фронта нескольких трещин при скоростях 750-920 м/с (рис. 1).
1100
!
0 ■
□ Зеркальная зона Перьевая зона Ветвление трещины Множественные ветвления
трещин
Зоны на поверхности разрушения
Рис. 1. Скорость трещины на различных этапах распространения, ветвления трещин в ПММА V,mfs -
seo —
20 40 60
L, mm
Рис. 2. Скорость трещины при прямолинейном распространении, ветвлении трещины в стали
При испытаниях сосудов распространение трещины во всех случаях инициировалось от надреза. При разрушении сосудов трещина продвигалась от надреза прямолинейно от надреза в обе стороны, при увеличении скорости трещина начинала искривлять траекторию, затем происходило ветвление трещины. Ветвление трещины сопровождалось образованием микроветвей под углом 8-100 к основной трещине, как до, так и после ветвления основной трещины, углы ветвления трещины составляют 40-600, что значительно больше
углов микроветвлений. Измерения скорости показали, что в стали при прямолинейном распространении скорость трещины составляет 350-541 м/с, при ветвлении трещины скорость трещины составляет 679-746 м/с (рис. 2).
Таким образом, установлено, что скорость ветвления трещины в стали составляет 679-746 м/с, что коррелирует со скоростью ветвления трещины в полимерах 500-800 м/с. Показано, что скорость ветвления трещины является критической (предельной) скоростью распространения трещины, и энергия, поступающая в вершину движущейся трещины, расходуется не на увеличение скорости трещины, а на создание новых трещин путем ветвления
Литература
1. Финкель ВМ. Физика разрушения. M.: Mеталлургия, 1970. 376 с.
2. Немец Я., Серенсен С.В., Стреляев В.С. Прочность пластмасс. M.: Mашинострое-ние, 1970. 335 с.
3. K. Ravi-Chandar, W.G. Knauss. An experimental investigation into dynamic fracture. III. On steady-state crack propagation and crack branching. International Journal of Fracture. 1984. № 26. P. 141-154.
4. E. Sharon, J. Fineberg. Microbranching instability and the dynamic fracture of brittle materials. Physical Review B. 1996. V.54, № 10. P. 7128-7139.
5. Бедий И.Н. Исследование кинетики трещин в ПMMA методом динамической фотоупругости // Проблемы прочности. 1991. № 9. С. 40-46.
6. О.Б. Наймарк, ВА. Баранников, M.M. Давыдова и др. Динамическая стохастичность и скейлинг при распространении трещины // Письма в ЖТФ. 2000. Т.26, вып. 6. С. 67-77.
7. Даффи A.P., MакКлур ДжМ., Aйбер Р.Дж., Mэкси y.A. Практические примеры расчета на сопротивление хрупкому разрушению трубопроводов под давлением. Разрушение. В 7 т, т. 5. M.: Mашинострение, 1977. С. 146-209.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-54-57
РАЗРУШЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ
Aлексеев A.A., Иванов A.P.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО PAR, г. Якутск
spinor03@gmail.com
Объекты добычи, переработки нефти и газа, магистральные трубопроводы Республики Саха (Якутия) построены и функционируют в условиях Арктики, где ликвидация последствий аварий требует затрат значительных материальных и временных ресурсов. В работе рассмотрены разрушения магистральных трубопроводов при нарушении технологии изготовления труб (дефекты изготовления), при длительной эксплуатации (коррозионные дефекты), при деградации многолетнемерзлых грунтов с деформацией трубопровода и запорной арматуры. Показано, что причинами аварий на трубопроводах в Арктике, являются коррозионные повреждения, усталостные трещины на подземных трубопроводах, образование участков с непроектным положением трубопроводов, вследствие деградации многолетнемерзлых грунтов.
Надежность, безопасность трубопроводов, оборудования нефтяной и газовой промышленности особенно важна в условиях Aрктики, где ликвидация аварий и катастроф требует значительных материальных и временных ресурсов [1, 2]. Климатические условия Aрктики, отличается низкими климатическими температурами и резкой континентальностью. Период температур ниже 0 0С составляет около 210 суток, минимальная температура достигает 60 0С ниже нуля, разность средних температур составляет 100 0С. В зимний период обеспечение жизнедеятельности населенных пунктов с населением до 400 000 человек, промышленных и
