ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Описание процессов эксплуатационного натру из "Машиностроение Энциклопедия Т IV-3 " Оценка сопротивления разрушению элементов конструкций и деталей машин, как отмечалось выше, предполагает в первую очередь, анализ условий их нагружения и разрушения при эксплуатации - уровни общей и местной напряженности, температуры стенок, числа и форма циклов нагружения, наличие ударных перегрузок, характер распределения и величины остаточных напряжений, накопление коррозионных и др повреждений, источники и характер разрушения. Получаемые из этого анализа данные являются основой для выбора конструкционных материалов, методов определения их механических свойств, а также методов и критериев анализа прочности, ресурса и надежности. [c.70] Таким образом, реальные условия эксплуатации могут ббггь заданы (рис. 2.1.1) соответствующими векторами для точек или областей в трехмерном пространстве N-x-f . [c.71] Анализ прочности и надежности при однократном статическом нагружении при N = 10 выполняют в случаях действия экстремальных нагрузок, постоянного действия весовых или контролируемых нагрузок практически для всех машин и конструкций. [c.71] Первые систематические исследования сопротивления разрушению при малоцикловом нагружении бьши проведены на элементах авиационных конструкций. Существенная роль циклических перегрузок в инициировании малоцикловых разрушений стала особенно проявляться в годы Второй мировой войны, когда ведение боевых операций значительно увеличило не только уровни статических нагрузок на самолеты, но число вылетов. Вместе с тем эти перегрузки оставались ниже предельных разрушающих нагрузок при однократном нагружении. Опыты Н.И.Марина показали, что увеличение числа циклов нагружения N от 1 до 10 может вызывать снижение разрушающих нагрузок на 30-60% в зависимости от механических свойств материала, концентрации напряжений, частоты нагружения и наличия сварных швов. [c.71] Многочисленные исследования нагру-женности самолетных конструкций в эксплуатации показали, что перегрузки, обусловленные воздушными потоками, связаны с налетом (в километрах) зависимостью, близкой к экспоненциальной. При этом для бомбардировщиков эти перегрузки в 1,5-2, а для истребителей в 4-5 раз выше, чем для транспортных самолетов наибольшие перегрузки для военных самолетов, как правило, связаны с маневрами. Перегрузки, возникающие в полете, сочетаются с перегрузками при взлетах и посадках, число которых в зависимости от типа самолета может изменяться в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч. Существенное нестационарное механическое и тепловое нагружение испытывают при взлетах и посадках элементы шасси. [c.71] Несущие элементы авиационных двигателей и гидросистемы самолетов подвергаются малоцикловым нагрузкам, связанным в основном со взлетами и посадками, а также наземными испытаниями. [c.71] Числа циклов JV, измеряемые тысячами и десятками тысяч, характерны для систем аэродинамических труб (газгольдеры, трубопроводы, аэродинамические трубы). Повышенные местные напряжения в элементах самолетных конструкций и деталях авиационных двигателей возникают в обшивке у отверстий под люки и иллюминаторы, в местах крепления лонжеронов, силовых установок, элементов шасси, в лопатках, дисках и валах турбин и компрессоров. [c.71] Для анализа малоцикловых и хрупких разрушений судовых конструкций бьша осуществлена обширная программа исследований на лабораторных образцах и на натурных отсеках. В частности, было показано, что накопление малоцикловых повреждений вызывает снижение сопротивления последующему хрупкому разрушению при пониженных температурах. Теоретические коэффициенты концентрации напряжений в корпусах судов достигают высоких значений (а = 2,5-4,5), особенно в местах приварки различных элементов к обшивке и в угловых точках отверстий под люки. [c.72] В течение последних двух десятилетий наблюдались случаи разрушения строительных машин и конструкций. Одними из основных причин таких разрушений являются предварительное циклическое повреждение (в том числе и малоцикловое) и последующее развитие хрупких трещин от возникших при изготовлении или в эксплуатации дефектов. Возможность окончательного хрупкого разрушения циклически нагружаемых несущих элементов увеличивается по мере снижения температур эксплуатации, увеличения абсолютных размеров сечений и усложнения конструктивных форм. Кроме того, применение в таких конструкциях малоуглеродистых и низколегированных недорогих конструкционных сталей, обладающих выраженной склонностью к хрупким разрушениям в зонах сварки, требует тщательного анализа прочности в связи с возможностью возникновения хрупких состояний. Это подтверждается наблюдениями за разрушениями опорных балок транспортных галерей и эстакад, козловых, мостовых и башенных кранов, подкрановых балок. Время эксплуатации указанных конструкций из.менялось в пределах от нескольких месяцев до 10 лет, а число циклов предварительного нагружения от нескольких сотен до десятков тысяч. Температуры Т при разрушениях находились в диапазоне от +15 до -35°С, а нагрузки - от 0,6 до 1,1 от расчетных. [c.72] Существенное внимание вопросам циклического и хрупкого разрушения элементов конструкций и деталей машин, как указывалось выше, стало уделяться в связи с освоением районов Сибири и Крайнего Севера. К настоящему времени накоплен достаточно полный материал, в том числе и статистического характера, показывающий отчетливую связь между вероятностью хрупкого разрушения деталей строительных и дорожных машин, с одной стороны, и температурой и сроком эксплуатации - с другой. Увеличение степени накопленного циклического повреждения, связанное с образованием новых и развитием имевшихся после изготовления трещин, вызывает резкое снижение сопротивления хрупкому разрушению при температурах от -20 до -50°С. Трещины от циклического нагружения и хрупкие возникали преимущественно в зонах концентрации (а = 1,7-3,5) и сварных швов. [c.73] Малоцикловые и хрупкие разрушения сосудов, нагруженных внутренним давлением, имели место в химической, нефтегазовой, резиновой и других отраслях промышленности. Как правило, такие разрушения связаны с начальными трещинами, возникшими после изготовления сосудов с применением сварки. Двукратное (от 1000 до 2000 м ) увеличение объема сосуда давления приводит к повышению температуры хрупкого разрушения на 30 С. В 40% случаев хрупкое разрушение сосудов произошло в начальной стадии эксплуатации (при гидроиспытаниях или первом заполнении) при этом около 20% сосудов практически не испытывали внешних эксплуатационных нагрузок (за исключением собственного веса), а в половине случаев номинальные напряжения в стенках сосудов не превышали 0,5-0,6 расчетных. Во всех случаях разрушения сосудов начинались из зон концентрации (а = 1,5-4) напряжений (места сопряжения корпуса с днищем, крепления опор, установки лазов и люков, крепления ребер жесткости и др.). Трещины (около 70%) возникали и распространялись по металлу сварного шва или околошовным зонам. [c.73] Аналогичными (с сосудами давления) условиями характеризуются и разрушения трубопроводов, в том числе магистральных для транспортировки жидкостей и газов. Возможность хрупкого разрушения трубопроводов на участках от 0,5-1 м до нескольких десятков километров обусловлена большими запасами упругой энергии, накопленной в стенках трубопроводов и рабочих телах, непрерывностью сварных швов, циклическим характером нагружения (10 N 5 1 O ), низкими температурами t эксплуатации (до -60°С) и местным аэродинамическим охлаждением за счет истечения газов в момент инициирования хрупких трещин. Учитывая сравнительно невысокую концентрацию напряжений (а = 1,1-1,6) на прямых участках трубопроводов, одними из основных причин хрупких разрушений трубопроводов следует считать повышенную чувствительность применяемых сталей к хладноломкости и наличие исходных дефектов сварки и технологических повреждений. В зонах компрессорных станций увеличивается число повреждений от вибраций. [c.73] Существенное повышение требований по обеспечению несущей способности машин и конструкций, как отмечалось выше, связано с интенсивным развитием в последние десятилетия криогенной техники. При этом одним из основных путей повышения несущей способности явилось применение специальных конструктивных форм и соответствующих материалов, увеличивающих сопротивление хрупкому разрушению. [c.74] Наиболее нагруженными элементами криогенной техники являются сосуды давления, работающие при температурах t от комнатных до низких (-200 °С) и сверхнизких (-270 °С). Сосуды для производства, хранения и транспортировки сжиженных газов объемом от сотен литров (жидкий гелий, водород) до нескольких тысяч куб.м (жидкий азот, кислород), изготавливаются из высоколегированных пластичных сталей с содержанием никеля 8-10% и более, никелевых сплавов или чисто-гр никеля, меди, медных и алюминиевых сплавов. Применение цветных сплавов при этом связано с необходимостью снижения температурных напряжений за счет высокой теплопроводности и отражающей способности. Снижение концентрации напряжений до величин = 1,2-2 в этих сосудах достигается применением отбортованных патрубков, сферических и эллиптических днищ, стыковых швов, а снижение дефектности сварных швов -разработкой специальной технологии сварки и соответствующим дефектоскопическим контролем (в том числе вакуумированием). [c.74] В связи с нестационарностью условий малоциклового нагружения (на базах 10 7V 510 ) во многих случаях наблюдалось образование трещин в барабанах мощных паровых котлов диаметром до 3000 м, длиной до 15000 мм, толщиной стенок 80-120 мм - в зонах концентрации напряжений (у отверстий для труб и люков, присоединения дниш и в стыковых сварных соединениях). Количество и размеры обнаруженных трещин для однотипных барабанов котлов, как правило, увеличивались с увеличением срока эксплуатации т до 200 тыс.час и числа циклов N нагружения до 5103. Ориентация возникших трещин указывает на существенную роль максимальных нормальных напряжений. Интенсивность возникновения трещин в барабанах котлов увеличилась с переходом на более прочные котельные стали и с повышением номинальных напряжений в стенках. [c.74] Основными причинами повреждения барабанов котлов являются высокие номинальные и местные (а = 2-3,5) циклические напряжения от запусков и остановов котлов накопление циклических повреждений от термических напряжений, связанных с пульсациями тепловых потоков и регулированием мощности повышенные остаточные напряжения в зонах приварки труб наличие исходных дефектов как в основном металле, так и в сварных соединениях накопление повреждений от коррозии и деформационного старения. Хрупкое разрушение барабанов паровых котлов может происходить в процессе гидро-испытаний при напряжениях Ниже предела текучести после заварки обнаруженных трещин. Для анализа прочности барабанов котлов в эксплуатации были осуществлены обширные исследования напряжений, деформаций и температур в программных и аварийных режимах, которые выявили условия образования местных упругопластических деформаций, превышающих предельные упругие в 1,5-2 раза. При испытаниях лабораторных образцов, вырезанных из серединных слоев поврежденных барабанов котлов было обнаружено незначительное (до 10%) уменьшение характеристик механических свойств предела текучести, предела прочности и относительного сужения. Было установлено, что наличие окисных пленок существенно (до 40%) снижает сопротивление циклическому разрушению. [c.74] Теоретические коэффициенты концентрации напряжений в этих деталях достигают значений 2-3,5 трещины циклического и хрупкого разрушения начинались как из зон конструктивной концентрации напряжений, так и от дефектов (поры, расслоения, трещины в металле). Трещины длительного циклического и коррозионного происхождения обнаруживались в трубопроводах тепловых энергетических установок. Уменьшение сопротивления циклическому разрушению трубопроводов связывается с наличием сварных швов и потерей пластичности материала при длительных выдержках. [c.75] Известны многочисленные случаи раз-рутиений, аварий и неполадок при изготовлении эксплуатации реакторов. При изготовлении корпуса реактора EDF-1 (Франция) с толщиной стенки 100 мм было отмечено возникновение хрупкой трещины длиной около 10 м в зоне высоких остаточных напряжений от сварки. Наблюдалось возникновение трещин при вварке патрубков. Авария американского реактора SL-1 при эксплуатации произошла в связи с быстрым вьщелением большой мощности при пуске реактора, вызвавшим кипение воды и повышение давления до 140 МПа. Это привело к срезу отводящих и подводящих патрубков, пластической деформации корпуса, характеризуемой увеличением диаметра на 30-100 мм, и нажимного фланца. [c.75] Циклическое нагружение элементов корпусов реакторов механическими, тепловыми и гидродинамическими воздействиями вызывает образование трещин в антикоррозионной наплавке и узлах крепления внутрикорпусных устройств. Обобщение данных о повреждениях несущих элементов атомных энергетических установок показывает, что около 40% обнаруженных трещин связано с циклическим повреждением, около 30% - с коррозионно-усталостным, около 17% - с начальной технологической дефектностью. [c.75] Вернуться к основной статье