книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

3.4.4. Определение разрушающих напряжений и долговечности

3.4.4.1. Основные расчетные зависимости

Если местные условные упругие напряжения <т*пэах, ст*э и а*„э от эксплуатационных силовых и температурных нагрузок в конструкции

циклов до разрушения N при заданной разрушающей амплитуде а*, по

критерию усталостного разрушения (жесткое нагружение) при N< 106 в первом приближении можно определять по выражению

состоянии или после заданной стадии эксплуатации (в том числе на момент определения остаточного ресурса); тр- характеристика материала, зависящая от

предела прочности <т'в , при ст'в < 700 МПа (70 кг/мм2) тр=0,5 и a_i = 0,45 с'в.

Если а'в задано в МПа, то AT_j = 0,4 —0,0002(сг/в —70о).

тр и тс можно принять тр= 0,5 при ств <700 МПа и т,,= 0,36 + 2*10'4 a B при

700< ав < 1200 МПа; те = 0 ,1 3 2 ^ ^ / ^ , .

При уточненной оценке остаточного ресурса, если местные условные

112 Глава 3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА

решения упругой либо упругопластической задачи, то для циклически упрочняющихся и циклически стабильных металлов разрушающие амплитуды

условных упругих напряжении ст* при заданном числе циклов N или число циклов до разрушения N при заданной амплитуде условных упругих

напряжений о*, по критерию разрушения при жестком нагружении определяются по уравнению

где S'K - сопротивление отрыву в шейке.

Для уточненной оценки остаточного ресурса элементов оборудования СТС из циклически разупрочняющихся сталей при наличии и отсутствии концентрации напряжений (для случая мягкого нагружения) используется уравнение

деформация поперечного сужения при напряжениях растяжения, равных пределу прочности ст'в .

Величина ц/в устанавливается экспериментально или определяется

За расчетные для определения остаточного ресурса с введением коэффициентов запаса принимаются минимальные значения разрушающих

амплитуд напряжений а* и чисел циклов N из устанавливаемых по критериям

квазистатического и усталостного разрушения при жестком нагружении, а также с учетом кинетики локальных деформаций при мягком нагружении.

3.4.4.2. Расчет для зон сварных соединений и наплавок

Разрушающие амплитуды а*ас местных условных упругих напряжений для металла сварных соединений и наплавок (для рекомендованных техническими условиямирежимов сварки и сварочных материалов) определяются экспериментально в соответствии со специальными методическими указаниями. При отсутствии экспериментальных данных о сопротивлении циклическому разрушению металла сварных соединений и наплавок величины <т*с принимаются равными

где а* - разрушающая амплитуда условных упругих напряжений, определяемая по (3.20) - (3.23) для основного металла; <рс - коэффициент, зависящий от вида и режимов сварки и наплавки, сварочных и наплавленных материалов и термообработки ( фс < 1).

При отсутствии экспериментальных данных величину <рс можно принять потабл. 3.1.

При приближенной оценке остаточного ресурса для наплавок, сварных нетермообработанных соединений и термообработанных соединений с остаточ­

ными растягивающими напряжениями а'0 при симметричном цикле напряже-

3.1. Значения коэффициента фсдля зон сварочных соединений и наплавок

Рис. 3.2. Зависимость эффективного коэффициента концентрации условных упругих напряжений от долговечности:

1- малоуглеродистые конструкционные стали, ст„< 450 МПа; 2 - низколегированные конструкционные стали, 560 < ств< 700 МПа; 3 - аустенитные нержавеющие стали

ний от механических и температурных нагрузок предел выносливости определяется по выражению

Для нетермообработанных сварных соединений можно принять GQ = OQ2.

Сжимающие остаточные напряжения в расчете не учитываются. Концентрация напряжений и деформаций в сварных соединениях,

обусловленная изменением геометрии, вызванной сварным швом (например, неудаленным усилением стыкового шва), учитывается в соответствии с выражениями (3.4) - (3.6).

Для сварных соединений с неполным проплавлением (щелевые сварные швы) в местах приварки тонких патрубков к обечайкам, крышкам, днищам,

где К* - эффективный коэффициент концентрации условных упругих напряжений

(К* > 1); о* - номинальные условные упругие напряжения в зоне щелевого

сварного шва.

Численные значения К*а в пределах от 3 до 10 для осевого растяжения и

изгиба приведены на рис. 3.2.

При N > 106 величины К*а получают методом экстраполяции.

Для случая изгиба величины К* берутся равными 0,75 от значений К* для

случая растяжения. При сочетании в конструкции изгиба и растяжения для каждой из составляющих номинальных напряжений вводятся соответствующие

величины К *. Коэффициенты запаса при расчете щелевых сварных соединений можно принимать заниженными.

3.4.4.3. Расчет пластически деформированных элементов конструкций

Если элементы конструкций подвергались предварительной пластической деформации еп, то в соответствии с расчетными уравнениями (3.20) - (3.27)

вместо характеристик пластичности 1п(100/(100 - yr'j-)) и 1п(100/(100 - у'в)) вводятся характеристики пониженной пластичности:

где КП- коэффициент, зависящий от температуры и направления предвари­ тельного пластического деформирования и типа стали (1 < Кп < 1,2).

Повышение характеристик прочности ств и а'Л за счет предвари­

тельных пластических деформаций и старения в приближенных расчетах не учитывается, но увеличение отношения erg2 /а в принимается во внимание.

Для малоуглеродистых и низколегированных сталей, склонных к деформационному старению (в случае предварительного пластического деформирования растяжением в диапазоне температур старения), величина Ки принимается равной 1,2. При деформировании в направлении сжатия К„= 1.

Если в конструкциях при неравномерных предварительных пластических деформациях возникают остаточные напряжения ст0, то их учет осущест­ вляется в соответствии с (3.26), (3.27).

3.4.4.4. Учет эксплуатационных воздействий

Если конструкция изготовлена из деформационно стареющих сталей и эксплуатируется при повышенных температурах, включая температуры деформационного старения, то при расчетах учитывается снижение

характеристик пластичности (\|/у- и ц/в); в приближенных расчетах не учитывается повышение характеристик прочности (ст[)2, ов). В выражения

рабочего диапазона температур и соответствующие рабочей температуре характеристики <JQ2,а'в •

При воздействии на элементы конструкции СТС основных эксплуатационных факторов (времени, температуры, среды), приводящих к изменению механических свойств, в расчет вводятся пониженные за счет

эксплуатационных повреждений характеристики о'02, сгв , S ‘K, \\i'K и у'ц;

повышение при этом характеристик прочности CTQ2, а в может не учитываться.

В связи с увеличением отношения (То>2/сгв по мере накопления повреждений

следует учитывать возможность перехода от расчета по (3.21) к расчету по (3.22).

Эффект коррозионных воздействий учитывается в зависимости от типа коррозии - общей (равномерной) или местной (язвенной), характера коррозионной среды, давления и скорости среды, длительности коррозионного воздействия, частоты нагружения и концентрации напряжений. Снижение долговечности за счет коррозионных повреждений оценивается по экспериментальным данным. При отсутствии таких данных долговечность Nkc

для малоуглеродистых, низколегированных и аустенитных нержавеющих сталей в коррозионной среде при равномерной коррозии можно определять по выражению

Для малоуглеродистых и низколегированных сталей в случае воздействия атмосферной воздушной среды, не приводящей к язвенной коррозии и

коррозионному растрескиванию, величину Кс можно принять в пределах 0,01...0,015. При осуществлении специальных мероприятий по снижению коррозионного воздействия водной и другой неагрессивной жидкой среды (водоочистка, ограничение содержания кислорода, хлоридов и др.) величину Кс

можно принять в пределах 0,02...0,05. При числах циклов N < 104 и воздействии водных и паровых сред без предварительной очистки величина Кс принимается

равной 0,1. С повышением давления от 1 до 100 атм коэффициент Кс при специ­

альной водоочистке линейно увеличивается до 0,2. Уменьшение частоты нагружения на один порядок по сравнению с указанной выше приводит к

увеличению Кс на 10... 15 %. Для более агрессивных коррозионных сред вели­ чина Кс увеличивается и должна оцениваться по экспериментальным данным.

Для аустенитных нержавеющих сталей величина Кс принимается с

коэффициентом 0,2 от указанных выше значений для малоуглеродистых и низколегированных сталей.

3.4.4.5. Учет рассеяния характеристик механических свойств

При уточненных расчетах исходного и остаточного ресурса оборудования СТС по параметрам вероятности разрушения в расчетные уравнения вводятся гарантированные (стандартные, нормативные) характеристики механических

свойств (сту, аод, сгв , \\/у-). Если базовые характеристики механических свойств (с?02,Ов, S'K vjTf ) определены экспериментально как средние на

ограниченном числе образцов при оценке технического состояния, то в расчетах остаточного ресурса используются расчетные характеристики этих свойств, зависящие от типа стали в соответствии со статистическими экспериментальными данными. При их отсутствии определенные при оценке технического состояния оборудования СТС расчетные характеристики механических свойств определяют из соотношений:

где v - коэффициенты вариации для соответствующих характеристик. В расчетах исходного и остаточного ресурса можно принять:

-для малоуглеродистых сталей v02 = 0,10, vB = 0,08, vK =0,12;

- для низколегированных и аустенитных сталей v0 2= 0,0S, vB= 0,06,

= 0, 10.

Расчет исходного и остаточного ресурса выполняется по уравнениям (3.21), (3.22).

С учетом объема исходной расчетной информации и уровня соответствия экспериментально определенных характеристик свойств гарантированным характеристикам по нормативно-техническим документам при уточненных оценках остаточного ресурса допускается снижение запасов прочности па и >iY.

3.4.5.Определение характеристик прочности, долговечности

иостаточного ресурса элементов оборудования

ЗА. 5.1. Коэффициенты запаса

Коэффициенты запаса по местным условным упругим напряжениям для заданного режима нагружения определяются по выражению

(3.33) где а* - разрушающие амплитуды условных местных напряжений, устанав­ ливаемые для эксплуатационного числа циклов N = N 3; ст*э - амплитуда мест­ ных условных упругих напряжений в наиболее нагруженной точке в эксплуатации.

Коэффициенты запаса по долговечности nN определяются по выражению

жений а* =о*э; N 3 - эксплуатационное число циклов.

Численные значения коэффициентов па и nN устанавливаются с учетом

типа, условий эксплуатации и ответственности оборудования СТС, опыта проектирования и изготовления, точности расчетов и задания исходной информации, рассеяния характеристик нагруженности и механических свойств.

Для сосудов давления, трубопроводов, корпусов, листовых и стержневых конструкций, применяемых в СТС, запасы па принимают равными 2, a nN -

равными 10.

Для элементов конструкций с высокой исходной концентрацией напряжений а а > 3 (галтели, выточки, резьбовые соединения и др.) или

испытывающих действие только высоких температурных напряжений от резких перепадов температур по толщине стенки указанные выше запасы могут быть снижены соответственно до 1,5 и 3. Для щелевых сварных соединений по (3.28) эти запасы могут быть снижены до 1,25 и 2,1 соответственно.

В тех случаях когда по расчету в соответствии с настоящей методикой не удается обеспечить запасы па и nN, их снижение допускается на основе

модельных или натурных испытаний в условиях, приближающихся к штатным (по конструкции, технологии изготовления и условиям нагружения).

Если испытанию при эксплуатационных нагрузках подвергаются натурные

Однако и в этом случае они должны быть не ниже 1,25 и 2,1 соответственно.

Если испытания осуществляются на моделях уменьшенных размеров Sst (по сравнению с натурными размерами £„), то полученные по выше приведенным выражениям запасы па и nN умножаются на корректирующие коэффициенты:

где та и mN - показатели, принимаемые равными 0,3 и 0,7. Однако в этом случае коэффициенты па и nN должны быть не более чем 2 и 10 соответ­ ственно.

При циклических испытаниях допускается форсирование режимов нагружения (по механическим и тепловым нагрузкам). При этом пересчет результатов испытаний на натурные, а также назначение режимов форсированных испытаний производятся на основе п. 3.4.4. При испытаниях не допускается увеличивать механические нагрузки более чем в 1,5 раза и одновременно местные условные упругие напряжения - больше чем в 3 раза по сравнению с эксплуатационными.

3.4.6. Основные расчетные зависимости для оценки исходного и остаточного ресурса

3.4.6.1. Построение кривых допускаемых амплитуд напряжений и долговечности

При оценках исходного и остаточного ресурса для определения допускаемых амплитуд напряжений и долговечности используются выражения пп. 3.4.4.1, а также запасы по п. 3.4.5.1.

Для циклически стабильных конструкционных сталей (0,5<ст'02/а'в <0,6),

для циклически упрочняющихся (а[) 2/<Ув ^0,5) конструкционных сталей при

числах циклов № эксплуатационного нагружения в пределах от 102 до 106 и

циклически разупрочняющихся (а(,2/ав >0,6) конструкционных сталей при

104 < N 3 < 10б и максимальных местных условных упругих напряжений

стопах-сто,2 в первом приближении с учетом п. 3.4.4.1 можно использовать

уравнения:

(3.38)