книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

оболочках только вследствие радиальных градиентов температур и разности ко­ эффициента линейного расширения основного металла и антикоррозионных на­ плавок, определяются с учетом концентрации и градиентов температур.

При расчете остаточного ресурса по характеристикам сопротивления цик­ лическому нагружению, а также при наличии напряжений компенсации, когда приведенные условные упругие максимальные напряжения превышают предел

текучести о;т , определение величин приведенных напряжений (а*]1р произво­

дится по компонентам деформаций, устанавливаемым экспериментально или из упругопластического расчета (при первом случае возникновения пластических деформации используется диаграмма статического растяжения при расчетной температуре). Если размахи напряжений превышают удвоенный предел текуче­

сти, определение амплитуд напряжений (а*р)л производится экспериментально

или расчетом по величинам деформаций, устанавливаемым по диаграмме цик­ лического деформирования. При отсутствии диаграмм циклического упругопла­ стического деформирования в расчет вводится условная диаграмма циклическо­ го деформирования, получаемая расчетом по кривой статического растяжения при расчетной температуре.

При известных из упругого, упругопластического расчета или эксперимента величинах главных деформаций е1} е2, е3 > е2 > е3) и главных фактических

(или условных упругих) напряжений а ь а2, а 3 (ст*>а2^ з ) значения приведен­

ных условных упругих напряжений определяются по теории наибольших каса­ тельных напряжений.

Если условные упругие напряжения, определенные при значении коэффициен­ та Пуассона ц , равном 0,3, превышают предел текучести, то приведенные на­

3.4.2. Основные понятия и определения

Рабочий цикл - изменение во времени основных параметров (давление, температура) от одних крайних значений до других и обратно.

Цикл изменения деформаций (напряжений, температур) - изменение де­ формаций (напряжений, температур) от исходной величины с переходом через максимальное и минимальное алгебраическое значение до первоначальной; в течение рабочего цикла может быть один или несколько циклов изменения де­ формаций (напряжений, температур).

Расчетная температура - максимальная температура рассчитываемого эле­ мента для заданного цикла напряжений.

Режим нагружения - процесс изменения деформаций (напряжений), харак­ теризуемый определенными уровнями расчетной температуры и циклических деформаций (напряжений).

Мягкое нагружение - циклическое нагружение с заданными амплитудами нагрузок.

Жесткое нагружение - циклическое нагружение с заданными амплитудами деформаций.

Циклически упрочняющиеся материалы - материалы, у которых ширина петли пластического гистерезиса при мягком нагружении уменьшается, а мак­ симальные напряжения цикла при жестком нагружении увеличиваются.

Циклические разупрочняющиеся материалы - материалы, у которых шири­ на петли пластического гистерезиса при мягком нагружении увеличивается, а максимальные напряжения цикла при жестком нагружении уменьшаются.

Циклически стабильные материалы - материалы, у которых ширина петли пластического гистерезиса при мягком и жестком нагружении не изменяется.

Циклически анизотропные (изотропные) материалы - материалы, накапли­ вающие (не накапливающие) односторонние пластические деформации при мяг­ ком нагружении.

Число циклов до разрушения - число циклов до образования макротрещины при квазистатическом или усталостном разрушении.

Усталостное разрушение - разрушение при циклическом нагружении с об­ разованием и развитием трещины без образования шейки.

Квазистатическое разрушение - разрушение при циклическом нагружении с односторонним накоплением пластических деформаций и образованием шейки.

3.4.3. Расчет характеристик сопротивления циклическому разрушению для оценки остаточного ресурса

3.4.3.1.Определение величин циклических напряжений

ичисел циклов

Величины приведенных циклических условных упругих напряжений и со­ ответствующие им числа циклов для оценки остаточного и исходного ресурса устанавливают по данным об эксплуатационных механических и температурных нагрузках, зависящих от конструкции, режима нагружения и технологической наследственности. Для каждого расчетного цикла нагружения устанавливаются также расчетные температуры рассматриваемых элементов конструкций СТС.

При определении приведенных условных упругих напряжений должны учитываться направления и величины нормальных и касательных составляющих напряжений от различных нагрузок; при этом предварительно выбираются на­ правления осей координат (для прямоугольной, цилиндрической или сфериче­ ской системы координат).

На основе анализа условий эксплуатации:

а) составляют последовательность режимов работы и для принятой после­ довательности упругим расчетом определяют значения шести составляющих напряжений (три составляющие нормальных и три составляющие касательных напряжений) без учета концентрации напряжений, по которым определяются три главных напряжения (для большого числа элементов конструкций при этом расчете получают сразу три главных напряжения Oi, сь, су3);

б) главным напряжениям для одного из режимов (например, пуска или ста­ ционарного) присваивают индексы /,у, к\

в) для зафиксированных главных площадок i,j, к строят зависимость изме­ нения напряжений ст„ ст,, су* при последующих расчетных режимах;

г) для различных моментов времени ть Т2, ...»ч , соответствующих достиже­ нию экстремальных значений напряжений в заданном /'-режиме а/11Ш, ajmin, сг,шх, P/min, cijtmx, a*min, определяют текущие значения напряжений а„ а,, а* и приве­ денные напряжения (их алгебраические значения)

Рассчитанные по (3.1) - (3.3) максимальные (атах)1фи амплитудные (а(,)„р значения напряжений от механических и температурных нагрузок для каждого полуцикла нагружения определяются на основе анализа изменения их во време­ ни и используются в дальнейших расчетах, если они не превышают пределов

текучести afj при расчетной температуре. Если эти условия не выполняются,

приведенные напряжения ( су*1ах )пр и ( оа)„р определяются как условные упругие

из упругопластического расчета.

Если приведенные местные условные упругие напряжения су*,- и ст*1ах/ оп­

ределены экспериментально или по данным расчетов аналитическими либо чис­ ленными методами (например, методом конечных элементов) или по данным испытаний модельной либо натурной конструкции при эксплуатационных /-режимах нагружения, то концентрация деформаций и напряжений в расчетах не учитывается и расчет остаточного ресурса по характеристикам циклической прочности ведется по указанным выше местным напряжениям.

При отсутствии экспериментальных данных о величинах местных напряже­ ний и деформаций в зонах концентрации в расчет вводятся коэффициенты кон­

центрации напряжений К *, равные приведенным теоретическим коэффициен­ там (аст) Пр концентрации напряжений, когда значения получаемых местных на­

пряжений и деформаций находятся в пределах упругости.

Для определения приведенных теоретических коэффициентов концентра­ ции (аст) Пр для каждой из составляющих главных напряжений а„ а,, а* от меха­ нических нагрузок используют соответствующие теоретические коэффициенты концентрации напряжений а ст. , а а , а ст^ с учетом того, что для равномерно

распределенных и линейно распределенных изгибных напряжений коэффициен­ ты концентраций напряжений а СТ/, а а , , различны, как и теоретические

коэффициенты концентрации температурных напряжений (а а.),, (а ст.),, (а0<),

для составляющих главных напряжений от температурных нагрузок. Последние определяются расчетом по величинам коэффициентов концентрации напряже­ ний а ст. , а а ., а а/, при равномерном одноосном растяжении, учитывающих

влияние градиента температур по толщине и по образующей с использованием приближенного выражения

(3.4)

где qt - коэффициент, принимаемый равным: 1,0 - для напряжений, обуслов­ ленных составляющей температурного поля при равномерно распределенной нагрузке; 0,5 - для напряжений, обусловленных линейно распределенной со­ ставляющей температурного поля.

Для напряжений, обусловленных нелинейной составляющей температурно­ го поля и получаемых вычитанием линейно распределенных напряжений, коэф­ фициент q, принимается равным:

0,3 - при распределении температур в рассматриваемой точке, описывае­ мом квадратичной параболой;

0,15 - при распределении температур по кубической параболе;

0,08 - при распределении температур по параболе четвертой степени; 0 - при распределении температур по параболе более высоких степеней.

Начало координат размещается в рассматриваемой точке. Определив сум­ марные приведенные местные напряжения, полученные на основе указанных выше компонентов напряжений и теоретических коэффициентов концентрации напряжений, и отношение их к соответствующему суммарному приведенному напряжению, устанавливают значение (аст)„р; величину (аст) пр принимают не менее единицы.

При образовании в зонах концентрации упругопластических деформаций коэффициент концентрации К* приведенных условных упругих напряжений

приближенно (с погрешностью в запас прочности) определяется расчетом.

При уточненном определении максимального местного условного упругого и неупругого напряжений цикла и амплитуды местных напряжений следует принять соответственно:

гие) напряжения исходного (нулевого) полуцикла нагружения; ( а ^ ) мр - ампли­ туда номинальных приведенных (или условных упругих) напряжений в &-полу-

полуцикле (исходном нагружении).

Коэффициент q принимается не зависящим от асимметрии цикла напряже­

ний и равным (по справочным данным) его значению для симметричного цикла в зависимости от отношения предела текучести к пределу прочности материала.

Величину q* можно принять по данным рис. 3.1 в зависимости от отноше­ ния стт/сгв и радиуса кривизны р в зоне концентрации.

3.4.3.3. Учет циклических свойств материала

Если амплитудные или максимальные приведенные напряжения цикла пре­ вышают предел текучести Сту, то величины ( о^ах )1|р или (а*)пр должны быть определены по упругопластическому расчету.

Для определения ( а ^ ах )пр используется диаграмма статического (для ис­ ходного нулевого полуцикла) или циклического (для последующих полуциклов) деформирования; значения (ст*)пр определяют по результатам вычисления раз-

махов напряжений в полуциклах нагружения, составляющих принятую последо­ вательность режимов работы при эксплуатации с использованием диаграмм циклического деформирования.

Диаграммы статического деформирования в координатах о-е получают по данным статических испытаний лабораторных образцов при растяжении или расчетом по выражениям:

а = е-Е при е <Oy/ Е1,

где е - деформация при статическом нагружении; <jy - предел текучести (про­ порциональности) с допуском на пластическую деформацию 0,02 %; - де­ формация предела текучести ( еу=ау / Е1); т0- показатель упрочнения.

Уточненное значение т0для диаграмм деформирования определяют по вы­ ражению

Величина 5^ определяется как разрушающее напряжение в шейке по дан­ ным испытаний или по выражению

Si- = o'B(l + l , V JC/lOo). (3.12)

Предел текучести Oj определяется по экспериментальным данным или расчетом по выражению

■М1ото)

Диаграммы циклического деформирования (в координатах S-e в точке на­ чала разгрузки) для полуцикла k= 2N получают по данным экспериментов или

где Sj - циклический предел текучести (пропорциональности) с допуском на пластическую деформацию 0,04 %; ет - деформация циклического предела те­

S{ =2G j, тогда Sj = 2 ej. Показатель тк определяют через т0 по выражению

где А - параметр диаграммы циклического деформирования, определяемый экс­ периментально или принимаемый равным

материалов; ё^ах =aJ2x - относительная деформация (условное упругое напря­ жение).

Параметры диаграмм циклического деформирования С и В определяются экспериментально или расчетом по выражениям:

3.4.3.4. Учет температур

Характеристики сопротивления циклическому нагружению устанавливают­

ся с учетом температурных зависимостей модуля упругости Е1, пределов теку­

чести CTQ2 и прочности а'в , относительного сужения у ‘к и предела выносливо­

сти a!_i для расчетных температур.

При расчете конструкций, изготавливаемых из материалов с пониженной пластичностью в интервале эксплуатационных температур (при температурах деформационного старения), характеристики пластичности принимаются для

чин <TQ2, а в и за счет старения в приближенных расчетах не учитывается.

В расчете амплитуд разрушающих условных упругих напряжений в зависи­ мости от числа циклов по критерию разрушения при мягком нагружении (квазистатическое разрушение) используется коэффициент асимметрии г.

Коэффициенты г* и г для данного режима нагружения используются при определении разрушающих амплитуд условных упругих напряжений и чисел

циклов; значения коэффициентов асимметрии во всех случаях, когда г, г* > 1 и

г, г* <-1, принимаются равными -1.

3.4.3.6. Учет накопления повреждений

Учет накопления повреждений при нестационарных силовых и температур­ ных нагрузках для различных режимов производится по правилу линейного суммирования (для критериев квазистатического и усталостного разрушения).

Накопленные за предыдущий период эксплуатации повреждения учитыва­ ются изменением базовых расчетных характеристик механических свойств, ус­ танавливаемым из испытаний образцов или из расчетов.

3.4.3.7.Учет специальных условий нагружения

Вусловиях, вызывающих коррозионные, эрозионные и другие поврежде­ ния, значения характеристик механических свойств принимаются с учетом влияния этих факторов по экспериментальным данным для эксплуатационных

условий (среда, время, температура); при этом возможное повышение ст{, 2, а'в

и ст^! в приближенных расчетах не учитывается.

При отсутствии экспериментальных данных в расчетах остаточного ресурса используются расчетные обобщающие данные о влиянии сред на долговечность.

3.4.3.8. Учет остаточных напряжений и деформаций

Остаточные напряжения <т0 от сварки и других технологических операций

(гибка, правка, наклеп) учитываются при определении коэффициентов асиммет­

рии г* и г цикла напряжений путем их алгебраического суммирования с напря­

жениями от нагрузок; при этом величина а 0 принимается не более CTQ2 для ос­

новного металла и металла шва или наплавки. В расчетах учитываются только остаточные напряжения растяжения.

Остаточные пластические деформации е„ (независимо от их направления) от технологических операций учитываются изменением исходной пластичности металла, которое может быть определено экспериментально путем испытаний образцов при статическом растяжении или на основании значений расчетных или экспериментально измеренных остаточных пластических деформаций.

3.4.3.9. Учет наложения вибрационных напряжений

Если на основные напряжения а^ах и ст* от механических и тепловых на­

грузок накладываются высокочастотные вибрационные напряжения с амплиту­

дой ст*в (от механических, гидродинамических и аэродинамических вибраций и

от местных температурных пульсаций потоков жидкостей и газов), то вибраци­ онные напряжения при двухчастотных стационарных режимах учитываются че­

рез суммарные напряжения о* и коэффициенты асимметрии цикла напряжений

г и г .

Для переходных эксплуатационных режимов учет наложения вибрацион­ ных напряжений осуществляется введением коэффициентов снижения долго­

вечности, зависящих от соотношения амплитуд CT*B/<T*Z и частот f Q/ f .