Исследование несущей способности стали морских трубопроводов при низкочастотной усталости

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТАЛИ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ НИЗКОЧАСТОТНОЙ УСТАЛОСТИ

Крыжанивский Е. И., Побережный Л. Я.

Ивано-Франковский государственный техуниверситет нефти и газа, г. Ивано-Франковск

Для оптимального проектирования морских трубопроводов, обычный срок службы которых составляет 20... 30 лет, весьма важным является прогнозирование поведения стали трубопровода при низкочастотном малоцикловом и многоцикловом нагружении. [1-3].

Усталостные испытания на воздухе при температуре 293 К проводили на установке МВ-1К по схеме нагружения чистым изгибом при частоте вращения образца 0,8 Гц [4]. Установку также использовали для статических и повторно-статических испытаний.

Образцы-модели из стали 20 диаметром рабочей части dр = 5 мм и расчетной длиной 1р = 50 мм изготовляли по разработанной в ИФГТУНГ технологии из стенок линейной части трубопровода. Окончательная механическая обработка рабочей части образцов - чистовое точение. Частота нагружения (0,8 Гц) и база испытаний (107 циклов) выбраны на основании всестороннего анализа проблемы низкочастотного усталостного разрушения морских трубопроводов [1, 5-7].

Исследование проводили в два этапа по разработанной методике [4,8].

На первом этапе изучали поведение стали трубопровода при статическом и повторно-статическом ступенчатом нагружении. Это позволило отследить на диаграммах изгиба (рис. 1, а) характерные

Рис. 1 - Диаграммы изгиба (а) и полная кривая усталости (б), построенные по результатам

испытаний образцов-моделей.

участки: ОА - упругой деформации; АВ - деформационного упрочнения; ВС - статической ползучести; О1А1 - упругой деформации при повторном изгибе. При увеличении нагрузки на одну ступень прирост номинального напряжения на участках ОА, АВ и О1А1 постоянно составлял До = 20 МПа, а время выдержки образца под нагрузкой Дt = 20 с. Такой режим нагружения позволяет учитывать отставание деформации от напряжения во времени и глубже изучать процессы деформационного упрочнения и ползучести.

Выявлено, что предварительное ступенчатое нагружение с выдержкой tз при ошх дает возможность при повторном нагружении получить близкие значения о0*2 та одмц , что практически

превращает сталь трубопровода в упруго-идеально-пластический материал при остаточной деформации от первого изгиба Дед = 0,0012 (рис 1, а).

Результаты, полученные при указанных режимах статического нагружения, не являются неожиданными, однако по новому освещают проблему конструкционной надежности морских трубопроводов и указывают на исключительную актуальность исследований сталей трубопроводов при низкочастотном циклическом нагружении в широком диапазоне амплитуд напряжений и деформаций.

Основной задачей исследований на втором этапе являлось экспериментальное отрабатывание теории низкочастотной усталости для неоднородного напряженного состояния, используя деформационно-кинетическое трактование процесса [9].

На рис. 1, б представлено полную кривую низкочастотной усталости, начиная с одного цикла нагружения, которому отвечает разрушающее напряжение, близкое к пределу прочности одмц при

повторном статическом изгибе (рис. 1 , а).

В литературе, в основном, встречаются схематические изображения полных кривых усталости [10-12], которые не отображают поведения конкретного материала, в особенности, если моделируются сложные условия его эксплуатации в конструкции трубопровода.

При циклическом нагружении может происходить квазистатическое, малоцикловое и многоцикловое усталостное разрушение [12].

Квазистатическое разрушение с образованием шейки в месте излома вызывает циклическая ползучесть при испытаниях на растяжение-сжатие, если уровень приложенных напряжений существенным образом превышает предел текучести материала и реализуется мягкий режим малоциклового нагружения.

Малоцикловую усталость характеризуют такие специфические особенности [10, 13, 14]: уровень высоких напряжений (деформаций), что предопределяет долговечность материала до 5-104...2-105 циклов; низкая частота нагружения (0,1... 1 Гц); наличие контролируемого параметра (размаха нагружения или размаха деформации). Изломы низкочастотной малоцикловой усталости конструкционных материалов высокой и средней прочности имеют типичную усталостную зону.

Многоцикловое усталостное разрушение большинство исследователей относят к частотам нагружения 10...300 Гц [7, 9, 11, 13].

При интерпретации полной кривой усталости области многоцикловой и малоцикловой усталости, а также циклической ползучести (квазистатического разрушения) разграничивают за долговечностью и уровнем напряжений [10, 11, 13].

Полная кривая низкочастотной усталости, построенная нами по результатам испытаний образцов-моделей, состоит из четырех характерных участков (рис. 1 , б).

На участке I наблюдали интенсивное накопление пластической деформации, начиная с первых циклов нагружения, которое можно охарактеризовать как циклическую ползучесть [9], в результате чего образцы лишь изгибались, а не разрушались с образованием поверхностей изломов.

Участок II отвечает малоцикловому низкочастотному деформированию и разрушению с образованием усталостного излома.

Участки I и II на кривой усталости отвечают уровням напряжений, которые находятся в упруго-пластической области, очерченной участком АВ (деформационного упрочнения) на диаграмме изгиба (рис. 1). Разграничение участков I и II экспериментально осуществить трудно. Наибольшая амплитуда напряжений, при которой еще имело место разрушение с образованием усталостного излома, составляла 498,9 МПа (рис. 2). При переходе от участка I к участку II на

кривой усталости наблюдали значительный перегиб, что можно связать с изменением механизма деформирования и разрушения [11,15].

Исследования изменения амплитуды пластической деформации образцов при циклическом нагружении на участке II (рис. 2, кривые 1,2) показали ярко выраженную стадийность процессов, которые протекают в такой последовательности:

1) интенсивное пластическое деформирование на протяжении первых 25... 150 циклов (рис. 3, кривые 1,2), происходящее в диапазоне амплитуд напряжений 450...499 МПа без существенного нагрева образцов от внутреннего трения (специфическая особенность низкочастотной усталости низкоуглеродистой стали);

2) замедление процесса пластического деформирования с асимптотическим приближением к предельному значению, зависящему от амплитуды напряжений, что является прямым подтверждением деформационного упрочнения поликристаллической структуры образцов (рис. 2, кривые 1 , 2);

3) стабилизация амплитуды пластической деформации (стадия насыщения, когда форма и ширина петли гистерезиса уже не изменяются [10]);

4) ускоренный рост магистральной усталостной трещины, то есть такой, которая при заданных условиях нагружения развивается с большей скоростью чем другие трещины [12] и является причиной окончательного разрушения образца.

б

Рис. 2 - Изменение амплитуды пластической деформации при низкочастотной усталости стали

трубопровода.

амплитуды напряжений: 1 - 498,9; 2 - 450; 3 -412,6; 4 - 316,7; 5 - 250 МПа.

Продолжительность каждой стадии зависит от амплитуды напряжений и закономерно изменяется (табл. 1). С увеличением амплитуды напряжений в 1,1 раза относительная продолжительность первой, второй и четвертой стадий усталости соответственно уменьшается в 5,5, 1,4, и 1,18 раза, а третьей - увеличивается в 1,14 раза. При этом число циклов до разрушения уменьшается в 1,1 раза.

При переходе от участка II к участку III на кривой усталости в интервале долговечностей 103... 104 циклов имеет место разрыв (рис 1, б) с экспериментально найденными предельными значениями амплитуд напряжений 412,6 и 450 МПа. Кинетика пластического деформирования образцов при указанных амплитудах напряжений существенным образом отличается (рис. 2, кривые 2, 3).

В начале первой стадии усталости при амплитуде напряжений 412,6 МПа величина пластической деформации Аё (рис. 4) остается близкой к нулю на протяжении 50...60 циклов (рис. 3, кривая 3), а потом начинает возрастать с постоянной интенсивностью до ~ 750 циклов. Дальнейший стабильный прирост пластической деформации вплоть до образования магистральной усталостной трещины происходит с меньшей интенсивностью.

Таблица 1 - Продолжительность стадий низкочастотной усталости для предельных амплитуд

напряжений участка II

Амплитуда напряжений, МПа Продолжительность стадий усталости, % Число циклов до разрушения

1 2 3 4

498,9 0,58 10,52 76,34 12,56 4277

450 3,19 14,89 67,03 14,89 4700

Таким образом, стабилизация амплитуды пластической деформации при оа = 412,6 МПа не наблюдается. Характерным также является то, что величина Аё в начале стадии ускоренного роста магистральной усталостной трещины при оа = 412,6 МПа ощутимо больше соответствующей величины пластической деформации при оа = 450 МПа. В результате усталостная долговечность при оа = 450 МПа достигает 4700 циклов, а при оа = 412,6 МПа - лишь 2914 циклов, что подтверждает точку зрения, в соответствии с которой пластическая деформация контролирует разрушение и предопределяет временную зависимость прочности твердых тел [9, 15, 16].

¿г"

N

Ш 1Ш 1Я М Ы Ш Ы Ш « Ш Я Ш Ы ™ Н1 »! И И

Рис. 3 - Кинетика пластического деформирования стали трубопровода на первой стадии

низкочастотной усталости

Участок III отвечает низкочастотной многоцикловой усталости и практически находится в упругой области, которая очерчена участком ОА на диаграмме изгиба (рис. 1).

Деление на малоцикловую и многоцикловую усталость по частоте нагружения, уровню напряжений и долговечности весьма условно, если не подкрепляется характерными

исследованиями. В нашем случае частота нагружения вообще не может выступать критерием деления, а диапазон долговечностей для низкочастотной многоцикловой усталости составляет 3-103...... 106 циклов, что установлено на основе анализа:

1) кинетики пластического деформирования стали трубопровода на первой (рис. 3, кривые 3, 4, 5) и последующих (рис. 2, кривые 3, 4, 5) стадиях усталости;

2) диаграмм изгиба при статическом и циклическом низкочастотном нагружении (рис. 4);

3) макростроения изломов низкочастотной усталости.

Анализ кривых 3, 4, 5 (рис. 2) раскрывает общий характерный признак процесса деформирования образцов в верхней и средней областях участка III - отсутствие стабилизации амплитуды пластической деформации. При амплитудах напряжений, близких к о-1, общий прирост пластической деформации до начала стадии ускоренного роста магистральной усталостной трещины остается незначительным. Для образцов, которые прошли 90000 циклов нагружения при оа = 250 МПа, величина Аё0 « 0,0002.

Диаграммы изгиба при статическом и циклическом низкочастотном нагружении (К = 1000 циклов) дополнительно иллюстрируют наличие разрыва на кривой усталости и указывают на различный механизм накопления пластических деформаций на участках II и Ш (рис. 4).Установлено, что для инженерных расчетов трубопроводов на низкочастотную усталость, изготовленных из стали 20, которые эксплуатируются при подобной схеме нагружения [4, 8], предел выносливости о-1 на базе 10 циклов можно принимать равным циклическому пределу текучести оч0 2, определенному из диаграмм изгиба. При этом отпадает необходимость проводить длительные испытания образцов для определения на кривой усталости участка IV и, соответственно, физического предела выносливости. Напомним, что при частоте нагружения 0,8 Гц прохождение образцом базы 107 циклов происходит за 148 суток. Кроме того, прослеживается зависимость предела выносливости а_1 от предела текучести при статике о0>2, а именно о-1 ~

0,5 о-0,2.

Важную информацию о работе стали трубопровода в эксплуатационных условиях дают совместные исследования кинетики низкочастотного усталостного деформирования и разрушения и закономерностей строения изломов.

Установлено, что макростроение изломов низкочастотной малоцикловой и многоцикловой усталости существенным образом отличается (рис. 5).

амплитуды напряжений: а - 498,9; б - 250 МПа; число циклов до разрушения: а - 4277, б - 107000 Рис. 5 - Макростроение изломов низкочастотной усталости, х10

При низкочастотной малоцикловой усталости на поверхности изломов имеют место незначительные уступы в усталостной зоне (рис. 5, а). Сильно сглаженной зоны, характерной для типичных усталостных изломов, не наблюдается. Хорошо прослеживается переход от усталостной зоны к зоне долома, которая образовывается вследствие действия напряжений, больших сдмц .

Для низкочастотной многоцикловой усталости характерны многолопастные изломы (рис. 5, б) с ярко выраженными уступами, что свидетельствует об одновременном (или почти одновременном) выборочном зарождении трещин и их развитии из разных мест, расположенных в параллельных плоскостях.

Отношение площади усталостной зоны к площади зоны долома считается мерой величины циклических напряжений, которые обуславливают разрушение и является дополнительной важной информацией о поведении стали.

Представленная на рис. 6 зависимость отношения Бу/Бд от оа однозначно указывает на наличие разрыва на кривой усталости.

Рис. 6 - Зависимость отношения Бу/Бд от амплитуды напряжения.

Область усталостного излома (ОУИ) очерчена участками II и III полной кривой усталости, а участок I относится к области циклической ползучести (ОЦП) (рис. 1, а).

Таким образом, в результате комплексных исследований по разработанной нами методике, раскрыты важные закономерности низкочастотного малоциклового и многоциклового усталостного деформирования и разрушения стали трубопровода при неоднородном напряженном состоянии.

Литература

1. Харионовский В. В. Конструктивная надежность магистральных трубопроводов в эксплуатации / Строительство трубопроводов.- 1992.- №3, с. 14-16

2. An investigation on fatigue in high-strength steel offshore structures / Agerskov H., Petersen R. I., Martinez L. Lopez // Weld. World.- 1998.- 41, №4, рр. 328-342

3. Damage tolerance assessment of welded joints subjected to fatigue crack growth / Lassen T. // Proc. 8th Int. Offshore and Polar Eng. Conf., Montreal, May 24-29, 1998.- Golden (Colo), 1998.- pp. 27-32

4. Крижашвський С. I., Побережний Л. Я. Перспективи використання автоматизованих випробовувальних систем з ЕОМ для ощнки корозшно-мехашчних властивостей матерiалiв морських трубопроводiв / Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. Вып. 1/2001 (10)- Кременчуг: КГПУ, 2001.- с. 21-23

5. Капустин К. Я., Камышев М. А. Строительство морских трубопроводов.- М.: Недра, 1982.- 207с.

6. Испытание материалов. Справочник. Под. ред. Блюменауэра. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1979.- 448 с.

7. Gran S. Fatigue in offshore cranes. Norwegian Maritime Research.- 1983.- №4, pp. 2-12

8. Побережний Л. Я. Комп'ютеризована установка для корозшно-мехашчних випробовувань матерiалу морських трубопроводiв / Автоматизащя технолопчних об'екпв i процеав. Пошук молодих. Збiрник наукових праць I Всеукрашсько1 науково-техшчно! конференцп астрашив та студенев в м. Донецьку 15-16 травня 2001 р.- Донецьк: ДонДТУ, 2001.- с. 172-174

9. Квазистатическое и усталостное разрушение материалов и элементов конструкций. Избр. тр.: В 3-х т. / Серенсен С. В.- К.: Наук. думка, 1985 .-Т. 3.- 232 с.

10. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов.- М.: Металлургия, 1976.- 456 с.

11. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов.- М.: Металлургия, 1975 .-456 с.

12. Трощенко В. Т. Покровский В. В., Прокопенко А. В. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении.- К.: Наук. думка, 1987.- 256 с.

13. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении.- К.: Наук. думка, 1981.- 344 с.

14. Карпенко Г. В., Кацов К. Б., Кокотайло И. В., Руденко В. П. Малоцикловая усталость стали в рабочих средах.- К.: Наук. думка, 1977.- 112 с.

15. Яснш П. В. Пластично деформоваш метали: втома i трщинотривюсть .- Л.: Св^, 1998.- 292 с.

16. Данилов В. И., Нариманова Г. Н., Зуев Л. Б. Пластическое течение в зоне концентратора (трещины) в малоуглеродистой стали / Металлофизика и новейшие технологии.- 2000. Т. 22, № 6.-с. 56-60