Ветвление трещины при разрушении сосудов с различными сроками эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Ветвление трещины при разрушении сосудов с различными сроками эксплуатации Алексеев А.А.

Алексеев Анисий Анисиевич /Alexeev Anisiy Anisievich- кандидат технических наук,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, г.

Якутск

Аннотация: разработана методика натурных испытаний нагружением внутренним давлением цилиндрических сосудов с искусственно нанесенными дефектами, позволяющая регистрировать данные (температуру, деформацию, давление) в режиме реального времени и контролировать характер распространения трещины при разрушении (прямолинейное или с ветвлением). Получены данные по закономерностям разрушения, структуры и свойств металла сосудов с различными сроками эксплуатации.

Abstract: a method offield testing of loading internal pressure cylindrical vessels with artificially caused by the defects, allowing you to record data (temperature, strain, pressure) in real time and to control the spread of cracks in the destruction (straight or branching). Data on patterns of destruction, structure and properties of metal vessels with different terms of use.

Ключевые слова: сосуд давления, разрушение, ветвление трещины. Keywords: pressure vessel, destruction, crack.

Анализ разрушений крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций (газонефтепроводов большого диаметра, резервуаров, сосудов давления и др.), показывает, что при быстром распространении трещины c ветвлением происходит катастрофическое осколочное разрушение тела конструкции с полным вытекание хранимого продукта, в данном случае разрушения наносится наибольший материальный ущерб [1]. Распространение трещины с ветвлением может быть обусловлено достижением критического уровня поврежденности в конструкционном материале в процессе эксплуатации. Таким образом, обеспечение безопасности металлоконструкций требует проведения исследований закономерностей быстрого распространения и ветвления трещин в конструкционных материалах, с учетом уровня накопленной в процессе эксплуатации поврежденности.

Для экспериментального исследования ветвления трещины в сталях была проведена серия натурных испытаний сосудов высокого давления с разным сроком эксплуатации из стали 45 с поверхностными надрезами с регистрацией данных в режиме реального времени. Нагружение сосуда осуществлялось внутренним давлением в результате расширения замерзающей воды, при достижении критического значения внутреннего гидростатического давления сосуд разрушался в результате инициации трещины от искусственного дефекта. По итогам испытаний были получены данные о разрушающем давлении, температуре внутри и вне сосуда, деформации стенок, давлении и исследовались закономерности разрушения.

Для автоматизации измерения данных в ходе экспериментов разработан автоматизированный измерительный комплекс. Установка реализована на базе двух измерительных систем: компьютерно-измерительной системы «Аксамит 6. 25», информационно-измерительной системы «СИИТ 2», и персонального компьютера. Комплекс производит измерение и регистрацию внутренней и внешней температур сосуда, давления внутри сосуда и деформации стенок сосуда. Для регистрации данных с термопар и датчиков давления используется «Аксамит 6.25», а данных с датчиков перемещения и тензодатчиков «СИИТ 2».Для автоматической регистрации данных в процессе эксперимента написана программа на языке Turbo Pascal 7.1, а для обработки и анализа полученных данных в среде Windows написана программа на языке Delphi 7 [2]. Номинальные окружные разрушающие напряжения вычислялись по эмпирическому соотношению, предложенному Даффи, Ханом для тонкостенных стальных цилиндрических оболочек с поверхностными дефектами.

Натурным испытаниям были подвергнуты сосуды с надрезами одинаковой длины (рис. 1). Распространение трещины во всех случаях инициировалось от надреза. По показаниям тензодатчиков поперечная деформация развивалась в упругой и пластической областях. Продольная деформация оставалась в пределах упругой области. По показаниям термопар усредненные значения температур составляли: наружного воздуха -250 С, стенки сосудов в момент разрушения -5°...-60 С, внутри сосуда в момент разрушения -3°...-40 С, что сравнимо с условиями эксплуатации подземных магистральных трубопроводов в криолитозоне. По результатам испытаний получены следующие закономерности быстрого распространения и ветвления трещин:

• Установлено, что сосуд с наибольшим сроком эксплуатации разрушился без ветвления трещины, при низком разрушающем давлении. Новый сосуд разрушился при наибольшем разрушающем давлении, с двойным ветвлением трещины. Режим распространения трещины зависит от разрушающего напряжения, ветвление трещины происходит при превышении напряжения 400 МПа (давления 40 МПа).

• Расстояние, которое проходит трещина от надреза до точки ветвления, также зависит от разрушающего напряжения - уменьшается при повышении напряжения, крайним случаем является ветвление от надреза (движение двух трещин от надреза). Площадь поверхности разрушения (длина трещины умноженная на толщину) при ветвлении трещины возрастает до 4 раз, по сравнению с разрушением без ветвления трещины.

• Процесс разрушения сопровождается образованием как микроветвей, занимающих часть толщины образца, так и макроветвей. Углы микроветвления и ветвления, лежат в диапазонах 50-300 и 300-600, соответственно.

Рис. 1. Сосуд разрушенный, с ветвлением трещины Литература

1. Алексеев А.А. Экспериментальное исследование закономерностей разрушения при быстром распространении и ветвлении трещин: Дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06, 01.02.04 / А.А. Алексеев; ИФТПС СО РАН. - Якутск, 2009. - 131 с.

2. Патент на полезную модель №119463. Устройство для исследования ветвления трещины / А.А. Алексеев

(Россия). - № 2011151564; Заявл. 16.12.2011; Регистр. 20.08.2012; Приоритет 16.12.2011. - 3 с.