ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2015
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА, ДИАГНОСТИКА, ИСПЫТАНИЯ
УДК 621.052; 539.4
© 2015 г. Матвиенко Ю.Г.1, Большаков А.М.2, Бурнашев А.В.2
НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДЕЙСТВИИ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПОТЕНЦИАЛА
1 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва 2Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
Приведены методика и результаты испытаний сосудов давления на разрушение внутренним давлением при низких климатических температурах в условиях действия постоянного внешнего электрического потенциала. Сопоставлены механизмы разрушения, характеристики пластичности, трещиностойкости и продолжительность разрушения сосудов в условиях действия постоянного внешнего электрического потенциала и без него. Отмечен положительный эффект внешнего электрического потенциала на процесс разрушения сосудов давления.
Проблема обеспечения надежной эксплуатации металлоконструкций эксплуатирующихся в регионах с низкими климатическими температурами затрагивается в работах многих ученых ведущих институтов нашей страны, благодаря которым создаются новые материалы и методы повышения прочности, ресурса, трещиностойкости и живучести конструкций. В настоящее время существует много различных сталей для конструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур, но есть и конструкции, выполненные из обычных углеродистых сталей, которые представляют реальную угрозу разрушения при температурах эксплуатации ниже температуры установленного вязко-хрупкого перехода и запрещены к эксплуатации ниже температуры —40°С. При этом многие организации, эксплуатирующие конструкции (в основном резервуары для хранения нефтепродуктов, технологические трубопроводы и т.д) из марок сталей 3, 10, 45 и т.п., вынуждены останавливать эксплуатацию, а в ряде случаев эксплуатировать жизненно важные объекты. В связи с этим возникает острая проблема оценки и повышения хладостойкости таких конструкций, в том числе в условиях деградации металла в процессе длительной эксплуатации, приводящей к снижению пластических свойств [1—3].
Во многих работах, начиная с 1970-х годов, показано положительное влияние тока на пластические свойства металлов. Внешние энергетические воздействия на металлические твердые тела, подвергаемые деформации, способны существенно изменять как кинетику протекания процесса, так и интегральные прочностные и пластические
характеристики металла. Обработка металлов и сплавов электрическим и магнитным полями, короткими высокоамплитудными импульсами электрического тока оказывает влияние на их деформационную субструктуру, может изменять распределение внутренних напряжений, фазовый состав, зеренную структуру. Это в конечном итоге приводит к значительному повышению сопротивления, деформированию и разрушению. Особый интерес представляют слабые электрические воздействия, при которых энерговложение достаточно низкое, а деформационные свойства материалов заметно улучшаются, что многократно подтверждено различными экспериментами [4, 5].
Можно предположить, что если воздействие электрического потенциала повышает пластические свойства, то должно и отодвигать процесс хрупкого разрушения металла на более поздние стадии деформирования, способствуя сдвигу границы хладноломкости в сторону более низких температур. Этот факт мог бы открыть новое направление в увеличении прочности и пластичности металла, а также способствовать повышению надежности эксплуатации металлоконструкций в условиях низких климатических температур.
Основная задача настоящего научного направления заключается в поиске и разработке технологии повышения прочности и хладостойкости материалов металлоконструкций посредством воздействия на материал конструкций различных физических полей, позволяющих влиять на пластические свойства материалов металлоконструкций Севера.
В настоящей статье экспериментально исследовано влияние постоянного внешнего электрического потенциала на изменение прочностных и пластических характеристик разрушения сосудов давления, изготовленных из углеродистой стали и деформированных в условиях низких климатических температур.
Материалы и методика эксперимента. В качестве объектов исследования воздействия электрического потенциала на металлические конструкции использовали сосуды высокого давления (кислородные баллоны) объемом 40 литров из стали Ст45. Для определения механических характеристик были проведены стандартные испытания по ГОСТ 10006-80 на растяжение плоских образцов из металла сосудов на универсальной испытательной машине Zwick Z600 при комнатной температуре. Значения предела текучести ат и временного сопротивления <зБ принимали как среднее по результатам испытаний трех образцов, вырезанных из каждого сосуда. Средние значения предела текучести и временного сопротивления составляли 396 и 659 МПа, соответственно.
Перед проведением испытаний ультразвуковым толщиномером ТУЗ-2 с точностью до 0,1 и 0,5 мм измеряли толщину и диаметры сосудов в трех сечениях, которые составили 7,8 и 219 мм, соответственно. Подбор сосудов давления для испытаний осуществляли таким образом, чтобы год изготовления, рабочие давления сосудов и марки стали по клейму совпадали. Испытания проводили попарно, т.е. в каждом случае эти характеристики совпадали или имели несущественную разницу, которыми можно пренебречь. Таким образом, пары сосудов были практически идентичными. На поверхность сосудов в центральной части наносится продольный надрез (искусственный дефект) глубиной 2 мм, шириной 2,5 мм и длиной 50 мм.
Сосуды разрушали по методике испытаний сосудов высокого давления с искусственным дефектом (надрезом) внутренним давлением с регистрацией данных в реальном времени. В данной методике для нагружения сосуда внутренним давлением используется расширение замерзающей воды, т.е. сосуд, наполненный жидкостью и герметизированный, подвергается воздействию низких температур. При этом жидкость по мере кристаллизации расширяется, создавая внутреннее давление, разрушающее сосуд от искусственного дефекта по достижению критического уровня давления. В ходе кристаллизации жидкости, образуется ледяная оболочка на внутренней стенке сосуда с жидким ядром в центре. Внутреннее давление, увеличивающееся по мере нарастания льда со стороны жидкого ядра, передается на стенки сосуда через
Рис. 1 Рис. 2
Рис. 1. Схема подведения электрического потенциала к сосуду давления: 1 — измерительный комплекс "Теркон", 2 — источник тока, 3 — компьютер, 4 — термопары, 5 — сосуд, 6 — надрез, 7 — датчик давления
Рис. 2. Диаграммы разрушения сосудов давления
твердое тело — лед. Данная схема нагружения является жесткой, без релаксации напряженно-деформированного состояния стенок сосуда.
Для автоматизации измерения данных в ходе эксперимента использовали автоматизированный измерительный комплекс "Теркон". Комплекс позволяет проводить измерение и регистрацию внутренней и внешней температур сосуда, температуру окружающей среды и давления внутри сосуда. Электрический контакт с образцами во всех экспериментах осуществляли медным проводом диаметром 1,5 мм.
В процессе испытаний на один из сосудов подается постоянный электрический потенциал величиной 9В источником питания постоянного тока Б5-43, второй сосуд находится без воздействия электрического потенциала. Схема экспериментальной установки для испытания сосудов и воздействия электрического потенциала представлена на рис. 1.
Оба сосуда заливаются водой, герметизируются и одновременно ставятся в среду с низкой климатической температурой. Температуру измеряли термопарами внутри и на стенках сосудов. В момент разрушения она составляла —35° и поддерживалась температурой окружающей среды.
Коэффициенты интенсивности напряжений наиболее глубокой точки полуэллиптического надреза в сосуде давления вычислены по формуле [6]
К = Г*И (-, Л, (1)
г V е) е V а г &
где поправочные коэффициенты имеют следующий вид:
Р г в2
ВВ0 - В2
2 ^+2 В0 ^+чВ0) ^+4 V в) с3
(2)
(Ъ\ 1,65
е = 1 + 1,464(а) , (3)
где ? — толщина стенки сосуда; О0, С1, С2, С3 — поправочные коэффициенты для полуэллиптической трещины на внешней поверхности цилиндра; Ь — глубина надреза; а — полудлина надреза; Я — внутренний радиус сосуда; Я0 — внешний радиус сосуда.
Для определения величины остаточной пластической деформации после разрушения сосудов были измерены их периметры без учета раскрытия трещины.
№ сосудов 1 2 3 4 5 6 7 8
Электрический потенциал, В 9 0 9 0 9 0 9 0
Внутреннее разрушающее давление, МПа 43 38 40 36 40 37 39 38
К, МПа • м1/2 151,6 133,9 141 126,9 141 130,4 137,5 133,9
Максимальное раскрытие трещины при разрушении, мм 30 21 26 19 25 22 27 23
Результаты испытаний. На примере сосудов 1 и 2 1980 года изготовления рассмотрим результаты испытаний внутренним давлением при низких климатических температурах. Видно (рис. 2), что сосуд 1 в условиях воздействия внешнего электрического потенциала разрушился через 13 ч 30 мин при давлении 43 МПа, в то время как сосуд 2 без воздействия электрического потенциала разрушился через 12 ч 10 мин при давлении 38 МПа.
В таблице приведены значения внутреннего разрушающего давления, максимального раскрытия трещины и критических коэффициентов интенсивности напряжений восьми испытанных сосудов. Наличие постоянного внешнего электрического потен -циала привело к некоторому положительному влиянию на разрушающее давление, критический коэффициент интенсивности напряжений и время до разрушения. Обращает на себя внимание более значительный положительный эффект на максимальное раскрытие трещины и остаточную пластическую деформацию после разрушения сосудов. Например, остаточная пластическая деформация составила 1,19 и 0,81% для сосудов 1 и 2, соответственно. Повышение характеристик пластичности под воздействием постоянного электрического потенциала может служить косвенным свидетельством возможного сдвига температуры хрупко-вязкого перехода в область более низких температур.
Следует отметить, что все сосуды в условиях воздействия постоянного внешнего
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.