Ветвление трещины при разрушении сосудов с различными сроками эксплуатации

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.

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.