Кинетический подход в описании ползучести металлов на основе структурно-аналитической теории прочности

Актуальность рассматриваемых вопросов. Подавляющая часть реальных металлических конструкций находится в условиях, имеющих статическую и квазистатическую составляющие нагрузки, и поэтому может подвергаться в процессе эксплуатации деформации ползучести. Ползучесть является довольно распространенным механизмом деформации и наиболее заметна, когда есть статическая составляющая нагрузки. Она проявляется в непрерывном росте пластической деформации с течением времени в направлении нагрузки, это приводит не только к накоплению микроповреждений, но и к возникновению направленных, односторонних деформаций, величины которых, как правило, не учитываются обычными строительными нормами и правилами, а, следовательно, и не закладываются в соответствующие проекты сооружений. По нашему мнению, указанные необратимые деформации могут инициировать частичное ухудшение размерной стабильности элементов конструкций, что может приводить к возникновению локальных перенапряжений, которые будут инициировать местные разрушения, как следствие, приводящие к авариям.

Таким образом, всестороннее изучение явления ползучести относится к актуальным задачам теории прочности и прогнозирования долговечности элементов конструкций.

Цель работы.

Разработать методы компьютерного моделирования процессов ползучести, основанные на структурно-аналитической теории прочности и кинетических представлениях о природе микродеформаций.

Провести теоретическое описание а) стационарной стадии ползучести в условиях действия статических и переменных полей напряжений. б) нестационарной стадии ползучести с учетом полей ориентированных микронапряжений.

Исследовать зависимость между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации ползучести.

Провести экспериментальное исследование ползучести. Оценить скорость стационарной ползучести в действующем магистральном газопроводе.

Сопоставить и проанализировать результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования.

Основные положения, выносимые на защиту.

Результаты теоретических расчетов на основе моделей ползучести и активной пластичности, разработанных в рамках структурно-аналитической теории прочности;

Методика экспериментального исследования ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях квазистатического плоского напряженного состояния.

Результаты экспериментального исследования и их адекватность расчетным прогнозам.

Научная новизна.

В рамках структурно-аналитической теории прочности и кинетических представлений о природе микродеформаций развита модель стационарной ползучести. На примере данной модели исследовано влияние температуры, статических и переменных нагрузок, уровня действующих напряжений на деформацию и скорость деформации ползучести.

Показано, что при кинетическом характере реализации процессов ползучести на микроуровне при сложном напряженном состоянии с достаточной степенью точности соблюдается единая универсальная связь между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации.

Предложена методика оценки скорости ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях сложного напряженного состояния по косвенным измерениям в лабораторных условиях. Она основана на кинетических представлениях о реализации деформации ползучести и на гипотезе существования единой универсальной зависимости между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации.

Предложен способ оценки скорости стационарной ползучести металлоконструкций, основанный на сравнении кривых активного нагружения и изохронных кривых ползучести в различных временных интервалах.

Практическая ценность.

Предложена методика оценки скорости ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях сложного напряженного состояния. Методика апробирована в лабораторных условиях в опытах на кручение сплошных цилиндрических образцов. В теоретическом плане методика базируется на кинетических представлениях о реализации деформации ползучести и на гипотезе существования единой универсальной зависимости между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации стационарной ползучести. Указанная методика реализована в серии экспериментов на ползучесть, выполненных на образцах из основного металла магистрального газопровода для предприятия ООО «Севергазпром». Выполнена оценка интенсивности скорости стационарной ползучести для действующего газопровода из сталей Х70 и 17ГС.

Результаты работы приведены на рис. 3.20. Здесь сплошные линии отвечают эксперименту, а штриховые — расчету. Легко видеть, что имеется хорошее совпадение экспериментальных и расчетных кривых.

Для расчета процессов ползучести было использовано определяющее соотношение (2.16) с уравнением для pik в форме (2.15). Моделировали ползучесть в режиме кручения. Температура и напряжение в (2.16) соответствовали экспериментальным значениям. Количественного совпадения результатов добивались, варьируя параметры (30, Uo и hoВ качестве экспериментальных данных использовали результаты испытаний на ползучесть, описанные в 3.9. На рис. 3.21, 3.22 сплошные линии отвечают эксперименту, штриховыерасчету.

700 600 500 400 300 200 100 о ст, МПа г————.

•.

Рис. 3.20 Диаграммы активного деформирования для стали Х70 (срок эксплуатации 20 лет).

0,25.

0,2.

0,15.

0.1 е,%.

200 000 400 000 t.c.

Рис. 3.21 Сопоставление экспериментальной и теоретической кривых ползучести для стали 17ГС (срок эксплуатации 30 лет) при температуре 870К и напряжении 200 МПа.

Результаты численного моделирования вполне согласуются количественно с экспериментальными данными и демонстрируют возможности выполнения расчетов в рамках структурно-аналитической теории прочности.

0.6 ! ' е,% | j |.

0.45.

0 20 000 40 000 60 000 80 000 t.c.

Рис. 3.22 Сопоставление экспериментальной и теоретической кривых ползучести для стали 17ГС (срок эксплуатации 30 лет) при температуре 570К и напряжении 200 МПа.

3.11. Обсуждение результатов и выводы.

Расчет скоростей ползучести для основного материала МГ для эксплуатационных температур показал, что скорость ползучести в эксплуатационных условиях может составлять приблизительно.

2 — Ю-10 ^6−10~, 0с-1. Пересчет и оценка ё по соотношению (3.30) дает более низкие значения s"10~12 -г Ю-11 с-1. Примерно такие же значения скорости ползучести дает ее оценка по кривым активного нагружения: г и 2,3 • 10'11 с-1. Указанное расхождение может быть связано со следующими обстоятельствами: систематической погрешностью, вносимой косвенными измерениямималым объемом выборки экспериментальных исследованийнеоднозначным влиянием температуры на скорость ползучести.

Тем не менее, настоящие исследования достаточно отчетливо показывают следующее.

1. В процессе эксплуатации основной металл МГ подвергается явлению ползучести.

2. Скорость ползучести может варьироваться в широких пределах, завися как от температуры, так и от механических напряжений. Причем, если увеличение механических напряжений приводит к однозначному повышению скорости ползучести, то температура оказывает неоднозначное влияние на скорость установившейся ползучести.

3. Наиболее нежелательным в смысле роста скорости ползучести является ступенчатый режим нагружения, когда увеличение механических напряжений на 15−20 МПа (примерно 1/15 от уровня действующих кольцевых напряжений ок в МГ) приводит к увеличению скорости ползучести на два порядка и более (рис. 3.12б-г3.15 б). Это свидетельствует о том, что внезапное повышение давления может оказать чрезвычайно опасным для действующего трубопровода.

4. Наличие сильной зависимости скоростей ползучести от величин действующих напряжений говорит о том, что наиболее опасные участки МГ находятся в следующих областях: а) повышенного действия механических напряженийб) повышенной плотности концентраторов механических напряжений (сварные швы, коррозия, раковины, гофры и др.).

5. Эксплуатация МГ под рабочим давлением в течение длительного времени приводит к заметной деградации механических свойств (рис. 3.17). Т. е., кривые деформирования 1 и 2 на рис. 3.17 можно рассматривать как изохронные кривые ползучести, что в конечном итоге позволяет свести проблему изучения ползучести материала к изучению механических свойств в условиях активного нагружения.

6. Найден эффективный способ оценки скорости ползучести основного металла МГ, позволяющий сократить время испытаний на ползучесть примерно в 102−103 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В рамках структурно-аналитической теории прочности и на основе кинетических представлений о природе микродеформации разработаны методы компьютерного моделирования деформационных процессов ползучести. На основе разработанных методов проведены численные эксперименты, позволившие изучить влияние напряжения, температуры и режимов нагружения на деформацию ползучести. В частности, а) показано, что оценивать деформации, инициированные ползучестью в условиях знакопостоянного циклического действия нагрузок можно, используя приближение для деформации при статической нагрузке под действием напряжения, равного среднему напряжению за цикл. б) показано, что для кинетического характера реализации процессов ползучести на микроуровне при сложном напряженном состоянии с достаточной степенью точности соблюдается единая универсальная связь между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации. в) теоретически показано, что процесс старения материала в нагруженном состоянии приводит к изменению (деградации) механических характеристик материала, которое проявляется в том, что в состаренном металле при том же уровне напряжений достигается большая деформация. г) установлено, что изохронные кривые стационарной ползучести можно рассматривать как кривые активного нагружения при измененных феноменологических параметрах Аа иЛ д) получено качественное описание нестационарной ползучести, обусловленной ориентированными микронапряжениями. На основе данной модели изучено влияние основных феноменологических параметров, известных как энергия активации процесса ползучести и структурно-чувствительный множитель на деформацию нестационарной ползучести.

2. Предложена методика оценки скорости установившейся ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях сложного напряженного состояния. Она основана на моделировании процесса ползучести и разрушения металла в лабораторных условиях при неоднородном кручении. В теоретическом плане методика базируется на кинетических представлениях о реализации деформации ползучести и на гипотезе существования единой универсальной зависимости между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации.

3. Выполнено широкое экспериментальное исследование ползучести. На основе разработанной методики получены оценки величин скоростей ползучести основного металла МГ (магистрального газопровода). Выявлено влияние температуры и напряжений на скорость стационарной ползучести. Исследован характер ползучести при постоянной нагрузке и ступенчатом нагружении. Результаты опытов представлены графически на диаграммах (см. рис. 3.9−3.16). Экспериментально показано, что деформационное старение металла в процессе длительной эксплуатации на линиях МГ приводит к заметной деградации механических свойств и изменению диаграммы растяжения (см. рис. 3.19).

4. Показано, что экспериментальные диаграммы активного нагружения образцов сплава Х70, изготовленных из фрагментов газопровода в условиях действия эксплуатационных нагрузок находятся в хорошем качественном соответствии с имеющимися теоретическими диаграммами старения материала.

5. На основе выполненных экспериментов и анализа их результатов были выработаны предложения и рекомендации для предприятия ООО «Севергазпром».