Циклическая и длительная прочность сварных соединений и металла трубопроводов

Г. М. Хажинский





ЦИКЛИЧЕСКАЯ И ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДОВ


Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

     УДК 539.4:(621.31+621.644)
     ББК 22.251:(31.16+39.7)
           Х15



Рецензент:
старший научный сотрудник отдела прочности и ресурса оборудования ОАО «НПО ЦКТИ» к. т. н. М. С. Сайкова




           Хажинский, Г. М.
     Х15 Циклическая и длительная прочность сварных соединений и металла трубопроводов : монография / Г. М. Хажинский. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -248 с. : ил., табл.
                 ISBN 978-5-9729-1415-9

                 Изложен современный подход к оценке усталости и длительной прочности сварных стыковых соединений и основного металла трубопроводов. Большое внимание уделено анализу закономерностей пластического деформирования и разрушения металла, из которого изготовлены компоненты трубопровода. Содержится обзор результатов исследований прочности стали при различных видах нагружения. Кратко изложены нормативные методы оценки усталости и ползучести, а также даны предложения по их совершенствованию.
                 Для специалистов по прочности энергетического оборудования и трубопроводов, а также для студентов, изучающих курс «Механика материалов и конструкций».

                                                УДК 539.4:(621.31+621.644)
                                                ББК 22.251:(31.16+39.7)



Печатается в авторской редакции




      ISBN 978-5-9729-1415-9 © Хажинский Г. М., 2023
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Оглавление

Введение.....................................................5
Глава 1. Циклическое деформирование и прочность стали........7
1.1. Основные характеристики циклического деформирования ....7
1.2. Зарождение и рост усталостных трещин...................17
1.3. Усталость гладких образцов при изгибе..................27
1.4. Коэффициенты концентрации напряжений и деформаций.......31
1.5. Трещины в зонах концентрации напряжений................34
1.6. Усталость образцов с концентраторами напряжений........38
Глава 2. Коэффициенты концентрации и интенсивности напряжений в сварных соединениях пластин...............................45
2.1. Коэффициенты концентрации и интенсивности напряжений на вырезах и выступах пластин при растяжении и изгибе..................45
2.2. Коэффициенты концентрации напряжений в стыковых сварных соединения пластин...........................................54
2.3. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений.......60
2.4. Коэффициенты интенсивности напряжений трещин на сходе шва 66
Глава 3. Сопротивление усталости сварных соединений пластин..71
3.1. Влияние геометрии сварного шва на предел усталости.....71
3.2. Влияние качества поверхности шва на предел усталости...76
3.3. Влияние сварочных напряжений на усталость..............82
3.4. Влияние смещения стыкуемых кромок на усталость.........85
3.5. Референсные напряжения и расчет сварных соединений.....88
Глава 4. Трещины в стыковых сварных соединениях труб.........97
4.1. Расчет КИН в кольцевых и осевых трещинах труб .........97
4.2. Расчет КИН для полуэллиптических трещин в трубах........102
4.3. Расчет КИН кольцевых трещин в поперечных швах...........105
4.4. Остаточные напряжения в поперечных швах трубопроводов...110
4.5. Развитие поверхностных усталостных трещин в поперечных швах . 114

Глава 5. Циклическая прочность металла трубопроводов...........121
5.1. Усталость при двухчастотном нагружении................121
5.2. Предел усталости при многоосном нагружении............134
5.3. Влияние двухосности нагружения на малоцикловую усталость .144
5.4. Влияние сложного нагружения на усталость..............147
5.5. Особенности нормативного расчета на усталость поперечных швов трубопроводов..............................................155
Глава 6. Высокотемпературная прочность металлов............161
6.1. Характеристики ползучести и длительной прочности стали....161
6.2. Влияние многоосности нагружения на длительную прочность...164
6.3. Взаимодействие усталости и ползучести.................169
6.4. Накопление повреждений при высокотемпературной усталости 178
6.5. Особенности нормативных расчетов на длительную циклическую прочность..................................................182
Глава 7. Длительная прочность сварных стыковых соединении 195
7.1. Длительная прочность продольных сварных соединений труб...195
7.2. Длительная прочность поперечных сварных соединений труб...206
Глава 8. Длительная циклическая прочность сварных стыковых соединений.................................................217
8.1. Высокотемпературная циклическая прочность сварных стыковых соединений.................................................217
8.2. Длительная циклическая прочность сварных стыковых соединений при малых выдержках............................................226
8.3. Длительная циклическая прочность сварных стыковых соединений при
больших выдержках..........................................232
Литература.................................................237

Введение


      Рост рабочих параметров энергетического оборудования требует совершенствования методов его расчета на длительную циклическую прочность. В книге рассматриваются методы оценки усталости и длительной прочности металла трубопроводов и сварных стыковых соединений, которые используются при проектировании и продлении ресурса работы оборудования.
      Надежность энергетического оборудования в значительной степени зависит от прочности сварных швов, поэтому их долговечности в книге уделено большое внимание. Детальная оценка прочности производится как на основе анализа кинетики континуальных (рассеянных) повреждений, так и по результатам исследования роста трещин.
      Механика рассеянных повреждений служит основным инженерным средством оценки надежности различных конструкций и широко используется как в отечественных, так и зарубежных Нормах расчета на прочность энергетического оборудования и трубопроводов.
      В последние годы все большее распространение получает механика разрушения, базирующаяся на теории мелких трещин. Благодаря многочисленным исследованиям установлена взаимосвязь этих двух подходов к оценке усталостной прочности.
      Во многих случаях сварные соединения являются причиной усталостного разрушения из-за возникающей в них концентрации напряжений вследствие геометрических несовершенств. Определенную роль при этом могут играть остаточные напряжения.
      Для сварных соединений характерна также неоднородность механических свойств, в результате которой возникает дополнительная концентрация деформаций, т. н. «металлургическая» концентрация. Установлено, что вызванное неоднородностью металла перераспределение деформаций (elastic follow-up) приводит к разрушению «слабой» зоны соединения.
      Важное значение имеет правильная оценка суммарного повреждения при усталости и ползучести. В книге отмечено, что в расчетах суммирование повреждений должно выполняться индивидуально для каждого очага разрушения. В частности, необходимо учитывать, что накопление усталостного повреждения на сходе сварного шва практически не влияет на длительную циклическую прочность зоны термического влияния.

     В рассмотренных методиках расчета на прочность использованы подходы теории пластичности к анализу концентрации напряжений. Большое внимание уделено описанию геометрии сварного соединения и механическим свойствам металла отдельных зон при нормальной и повышенной температурах.
     Подробно рассмотрено поведение материала трубопроводов (основного металла) при усталости и ползучести, так как эти данные являются основой для расчета сварных соединений на прочность.
     Книга состоит их восьми глав. В первых пяти главах изложены вопросы усталости при нормальной температуре, а в последних трех - вопросы длительной циклической прочности при повышенных температурах.
     В первой главе изложены характеристики пластического течения материала, особенности его деформирования в зонах концентрации, последующего зарождения и развития усталостных трещин.
     Во второй главе приведены данные по теоретическому и эффективному коэффициентам концентрации напряжений в сварных стыковых соединениях пластин. На основе анализа численных данных предложены аппроксимирующие формулы для инженерной оценки концентрации.
     В третьей главе дано сопоставление с расчетом экспериментальных данных по усталости сварных стыковых соединений.
     В четвертой главе изложена методика расчета коэффициентов интенсивности напряжений для трещин в стыковых сварных швах труб. Рассмотрена роль остаточных сварочных напряжений. Дана оценка возможности усталостного разрушения конструкции.
     В пятой главе рассмотрены некоторые общие вопросы прочности сварных соединений, в частности, влияние на их усталость сложного напряженного состояния, а также проблема суммирования повреждений при двухчастотном нагружении.
     В шестой главе содержится анализ усталости и ползучести материала оборудования и трубопроводов, а также суммирования повреждений в условиях длительной циклической прочности.
     В седьмой и восьмой главах рассмотрены длительная и циклическая прочность сварных стыковых швов пластин и труб. Показано, что в зависимости от характера неоднородности металла очаг разрушения может располагаться в различных зонах сварного соединения.
Ваши замечания прошу отправлять по адресу: khazhinsky@gmail.com.

ГЛАВА 1

        Циклическое деформирование и прочность стали

   1.1. Основные характеристики циклического деформирования

       Циклическое деформирование стали и ее сопротивление усталости обычно исследуется на гладких цилиндрических образцах при симметричном цикле растяжения-сжатия с постоянным размахом напряжений (мягкое нагружение) или постоянным размахом деформаций (жесткое нагружение). В процессе этих испытаний выявляются характерные эффекты циклического поведения металла, которые не обнаруживаются при монотонном растяжении. Пластическое течение материала при умеренных температурах, когда не проявляются вре-менн'ые факторы типа ползучести, принято называть мгновенным пластическим деформированием.
       В процессе растяжения-сжатия образца выявляется эффект Баушингера, который не обнаруживается при монотонном растяжении. Он заключается в том, что после предварительного растяжения предел пропорциональности при сжатии оказывается меньше исходного значения. На рис.1.1 схематически показана диаграмма знакопеременного деформирования.

Рис.1.1. Схематическая диаграмма циклического деформирования

Участок ОАОi отражает исходное нагружение материала (нулевой полуцикл). Линия ОiВСО2 соответствует упругой разгрузке и обратному нагружению. При этом предел пропорциональности при сжатии (ор1СЖ) оказывается меньше начального значения предела пропорциональности (оpi0). Для циклически стабильного материала значения оpi о и оpi с на рис.1.1 оказываются равными.
        Размах напряжений на упругом участке первого полуцикла для циклически стабильного материала равен 2оpic, т. е. двум значениям предела пропорциональности. В данном случае рассматриваемые диаграммы первого и второго полуциклов (ОiВСО2 и О2DOi) совпадают

  при совмещении их систем координат.
        На практике в процессе повторного нагружения материала может наблюдаться как циклическое упрочнение, так и разупрочнение. Нормативные расчеты на прочность чаще всего выполняются для стабильного состояния материала, принимая для него осредненные характеристики циклической диаграммы, соответствующей половине

  числа циклов до разрушения.
         Для аппроксимации кривых циклического деформирования широко применяется аппроксимация Рамберга-Осгуда:

s

a

„        („ ^п
= ^: + 0,002 ~^-
E        \ &0,2c р

(1.1)

  где 00,2c — циклический условный предел текучести, соответствующий амплитуде пластической деформации равной 0,2%, n ~ 6.
        В расчетах сварных соединений уравнение (1.1) может быть использовано как для основного металла, так и для материала шва и зоны термического влияния (ЗТВ). Как показывают эксперименты,

  материал этих зон различается, в первую очередь, условным пределом текучести.
         В определенных случаях циклическая нестабильность материала может играть заметную роль. В работе [170] приведены результаты испытаний при жестком нагружении нержавеющей стали SUS 304-HP в условиях комнатной температуры. Для данной стали характерно циклическое упрочнение, показанное на рис.1.2.

O a
МПа

  Рис.1.2. Циклическое упрочнение нержавеющей стали SUS 304HP
      [170]. Значками показаны амплитуды полной деформации
      Из приведенного рисунка видно, что данная сталь может рассматриваться как циклически стабильная только при амплитудах деформации до 0,6%.

   Рис.1.3. Кривые растяжения стали 9Сг-1Мо при температурах 4000С (а) и 5500С (б) и различных скоростях деформирования [168]

При повышенных температурах вид диаграммы растяжения зависит от уровня температуры и скорости деформирования образца. В качестве примера на рис.1.3 показаны кривые растяжения модифицированной стали 9Сг-1Мо при различных температурах и скоростях деформирования [168].
       При температурах до 400⁰С данная сталь слабо зависит от скорости деформирования и кривая растяжения соответствует режиму мгновенного пластического течения. Однако при 550⁰С скорость становится фактором, определяющим величину условного предела текучести. Это явление связано с ползучестью материала. Чтобы исключить подобный эффект при получении экспериментальных значений модуля упругости, пределов текучести и прочности, испытания образцов при повышенных температурах проводят с фиксированной и достаточно высокой скоростью деформирования, например: 10⁻³ 1/сек.
       Рассмотрим начальные участки диаграмм мгновенного деформирования при двух температурах (Т2 > Т1), когда выполняются условия: оpi/Е = const и 00,2/Е = const (рис.1.4).

Рис.1.4. Диаграммы растяжения (T2> T1) при оpi/Е = const и 00,2/Е = const

      Допустим, что при деформировании образца осуществляется переход от температуры Т1 к более высокой температуре - Т2. Будем

также полагать, что начальный участок диаграммы растяжения описывается уравнением Холмквиста-Надаи [89]:

£ = — + 0,002 E

. ^п
—- — pl
—0,2 — — pl

(1-2)

Если отношение оpi/Е = const, О0.2/Е = const и показатель п = const, то диаграммы растяжения при малых деформациях для всех температур можно свести к единой кривой в координатах о/оpi и е (рис.1.5).

Рис.1.5. Единая кривая неизотермического растяжения

       В этом случае пластическое деформирование осуществляется
—    —
только при росте приведенного напряжения (— = -—), причем возрас-—pl
тание — может происходить как за счет внешней нагрузки, так и при увеличении температуры.
       Традиционно для оценки сопротивления усталости стали применяются испытания при симметричном цикле растяжения-сжатия и постоянной амплитуде полной деформации (жесткое нагружение). Кривые усталости, полученные на полированных цилиндрических образцах, являются основой нормативных расчетов.
       Подобные эксперименты проводятся до появления видимых поверхностных трещин длиной до 2мм. Полученные данные принято представлять в условных упругих напряжениях (оа£ = еа• Е, где Е - модуль упругости). По существу, условные упругие напряжения являются деформационной характеристикой сопротивления усталости.

Нормативная диаграмма усталости стали с коэффициентами

запаса по условным упругим напряжениям и числу циклов до разрушения представлена на рис.1.6 [19].

Рис. 1.6. Расчетная кривая усталости для углеродистых и легированных сталей при температуре до 350оС

       Усталость традиционно разделяется на малоцикловую и многоцикловую. Малоцикловая усталость рассматривается в диапазоне 10² + 10⁴ циклов до разрушения и определяется условиями знакопеременного пластического течения материала. В свою очередь многоцикловая усталость определяется характером упругого деформирования. Наиболее важной характеристикой многоцикловой усталости является предел усталости (предел выносливости). Он соответствует 2-106 или 10⁷ симметричным циклам нагружения при растяжении-сжатии (o-i) или изгибе (o-1 ь).
       Следует учитывать, что на пределе усталости стали при растяжении-сжатии всегда присутствуют пластические деформации и, хотя они могут быть гораздо меньше упругих, но их роль в накоплении усталостных повреждений вполне с ними сопоставима.
       При циклическом изгибе уровень пластических деформаций на поверхности гладкого образца существенно ниже, чем при растяжении-сжатии с теми же номинальными напряжениями. Это связано с наличием градиента напряжений. Вследствие этого предел усталости при изгибе оказывается выше, чем при растяжении-сжатии примерно на 15%. Данное различие необходимо учитывать при использовании справочных данных по механическим свойствам стали.