- •5. Критерии прочности и диагностика напряженно- деформационного состояния
- •5.1.Критерии сопротивления различным видам разрушения
- •5.2. Определение напряженно-деформационного состояния оборудования.
- •6. Деградационные процессы и диагностика их протекания
- •6.1. Старение материалов
- •6.2. Виды коррозии и методы их оценки
- •6.3. Виды изнашивания и методы их определения
- •7. Основные принципы технического диагностирования и определения остаточного ресурса оборудования потенциально опасных производств
- •7.1. Основные принципы и порядок диагностирования • технического состояния оборудования.
- •Алгоритм определения остаточного ресурса потенциально опасных объектов
- •7.2. Прогнозирование остаточного ресурса
- •8. Диагностирование технического состояния сосудов и аппаратов потенциально опасных производств, работающих под давлением
- •8.1. Диагностирование сосудов, работающих под давлением
- •Типовые дефекты химического оборудования и способы их обнаружения
- •Характеристика методов диагностирования оборудования
- •Контроль герметичности
- •8.2. Особенности диагностирования аппаратов нефтегазохимических производств
- •9. Диагностирование резервуаров, трубопроводов, арматуры
- •9.1. Диагностирование резервуаров
- •Основные требования к резервуарам для хранения нефтепродуктов.
- •Диагностика технического состояния
- •9.2. Диагностика технического состояния промышленных трубопроводов и арматуры
- •10. Диагностика технического состояния машинного оборудования
- •10.1. Организация и методы диагностирования
- •10.2. Вибрационная диагностика
5. Критерии прочности и диагностика напряженно- деформационного состояния
5.1.Критерии сопротивления различным видам разрушения
Ключевым звеном в оценке технического состояния оборудования, расчетах на прочность, определении остаточного ресурса является оценка предельного состояния и критериев прочности оборудования для конкретных режимов и условий эксплуатации.
Разрушение тел является сложным процессом и включает в себя несколько стадий: зарождение микротрещин при напряжении, рекомбинация микротрещин при напряжении, рекомбинация микротрещин при пластическом деформировании материала, образование и рост магистральной трещины, разделение тела на фрагменты. Зарождение микротрещин и пластическая деформация имеют дислокационный механизм.
В зависимости от механических свойств материалов, конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов возможно возникновение трех основных видов разрушения: хрупкого, квазихрупкого и вязкого. Такая классификация условна и основана на поведении материала перед его разрушением. В хрупком теле предварительная деформация практически отсутствует; в пластическом она имеет место.
Признаки вида разрушения наблюдают по внешнему виду излома (фрактография).
Признаки хрупкого и пластического разрушения
Отличительные признаки |
Хрупкое тело |
Пластическое тело |
Кристаллографический характер разрушения |
Скол |
Срез |
Внешний вид излома |
Кристаллический |
Волокнистый |
Скорость распростра- нения трещины |
Высокая (трещина неустойчивая) |
Низкая (трещина устойчивая) |
Каждый из этих видов разрушения существенно отличается по Уровню номинальных и местных разрушающих напряжений и Деформаций, скорости развития трещины, времени живучести Детали с трещинами.
В зависимости от характера приложения нагрузки разрушение может происходить при стационарной и циклической изменяющейся нагрузке. Соответственно расчеты на прочность проводят по критериям сопротивления разрушению при стационарном, малом и многоцикловом нагружениях.
При расчетах прочности и ресурса несущих нагрузку элементов для оценки разрушения применяют различные критерии: силовые, деформационные, энергетические.
Традиционные инженерные расчеты прочности при статическом нагружении базируются на двух основных предположениях: о сплошности (бездефектности) конструкционных материалов и о разрушении детали при достижении в наиболее нагруженной точке опасных (критических) напряжений.
Действующие в элементе конструкции номинальные эксплуатационные напряжения не должны превышать допустимые
Допускаемое номинальное напряжение [о]н определяется по пределам текучести G0,2 (или от)> прочности ов, длительной прочности овт или ползучести оп при заданной температуре с введением соответствующих запасов
Номинальные напряжения оэн, рассчитывают в предположении упругого деформирования материалов, теории пластин и оболочек. Расчеты выполняют для выбора или контроля основных размеров несущих сечений.
Для отражения факторов, приводящих к возникновению местных пластических деформаций, расчеты прочности на стадии образования трещин дополняют поверочными расчетами по предельным нагрузкам,
или предельным местным деформациям
где пр0, nе0 — запасы по предельным нагрузкам и местным деформациям; Ро, еКо — предельная нагрузка и деформация в зоне образования трещины; Рэ, еэmaх — эксплуатационная нагрузка и максимальная местная деформация в элементе конструкции.
Расчеты проводят при предположении упругого или упругоплас-тического деформирования материала. Уточнение фактического напряженно-деформационного состояния конструкции осуществляется экспериментально на моделях или в натуре, Определение предельных нагрузок и деформаций осуществляется при доведении модели или натурного образца до предельного состояния (образования трещин в наиболее опасных зонах). Даже при условии экспериментальной проверки запасы nр0 и neo должны быть не ниже 1,1-1,3 и 1,25-1,5 соответственно.
Разрушение элементов конструкции с трещинами (исходными или возникшими в процессе эксплуатации) также может быть хрупким, квазихрупким или вязким. Виды разрушения определяются уровнем местных пластических деформаций в вершине трещины и отличаются по номинальным разрушающим напряжениям, скоростям развития трещин, виду излома.
Расчеты на прочность в этом случае проводят по критериям критическим температурам хрупкости Тс, разрушающим напряжениям или нагрузкам, критическим значениям коэффициентов интенсивности напряжений K1c и деформаций К1e.
Критическую температуру определяют экспериментально по установленным методикам.
Под коэффициентом интенсивности напряжений (деформаций) понимают напряженное (деформационное) состояние в окрестности вершины трещины при упругих деформациях. Коэффициент интенсивности напряжений пропорционален действующему номинальному напряжению и зависит от формы и размеров тела D трещины 1 и способа нагружения. K1 = oн*f(l,B)
В этом случае запас прочности по коэффициенту напряжений (деформаций) равен
где К1С, К1е — коэффициенты интенсивности напряжений и деформаций при разрушении.
Дислокационный механизм зарождения микротрещин лежит и в основе усталостного разрушения металлов. В этом случае усталостные трещины возникают в результате пикнического деформирования кристаллической решетки металла, если максимальных за период цикла усилий достаточно для появления пластических сдвигов.
Различают разрушение при малоцикловой и многоцикловой усталости. Разрушение от малоцикловой усталости - это разрушение в условиях повторного упругопластического деформирования с числом циклов до разрушения 5·104-105, которое является условной границей мало- и многоцикловой усталости для пластических сталей и сплавов и определяет среднее число циклов для перехода от упругопластического к упругому циклическому деформированию.
При малоцикловой усталости различают: жесткое нагружение — циклическое нагружение, при котором средние и амплитудные значения циклических деформаций сохраняют свои исходные значения; мягкое нагружение — циклическое нагружение, при котором средние и амплитудные значения циклических напряжений сохраняют свои исходные значения.
Критериями прочности и долговечности элементов конструкции малоцикловой усталости являются: коэффициенты запаса прочности по местным деформациям еа или напряжениям о*а для заданного режима нагружения
где еа, σ*а — разрушающие амплитуды местных деформаций или напряжений; еэа, σ*аэ — амплитуда местных деформаций и напряжений в наиболее нагруженной зоне рассчитываемого на прочность элемента конструкции; и коэффициент запаса по долговечности
где N — разрушающее число циклов для эксплуатационных уровней деформации еа = еэа, о*а = аа при N< 105 ;
Nэ — эксплуатационное число циклон нагружения.
Численные значения коэффициентов ne, no, nN устанавливаются с учетом типа конструкции и машин, условий их эксплуатации, ответственности, опыта проектирования, эксплуатации и изготовления, точности расчетов и задания исходной информации, рассеивания характеристик нагруженное™ и механических свойств.
Для сосудов, работающих под давлением, технологических трубопроводов, применяемых в энергетическом и химической машиностроении, в магистральных трубопроводах ne = nо=2, nN= 10
При определении малоцикловой долговечности и оценке накопления повреждений используют: значения циклическупругопластических и односторонне накопленных деформации максимально нагруженных зонах конструкции и значения располагаемой пластичности (деформационной способности) материала еf; кривую малоцикловой усталости конструкционного материала Nf = f(еk); диаграмму статического и циклического деформирования.
При многоцикловой усталости при одновременном воздействии нормальных и касательных переменных напряжений коэффициент прочности
где no— коэффициент запаса прочности но нормальным напряжениям, nт — коэффициент запаса прочности при кручении; [n] — минимально допустимый коэффициент запаса прочности; [п]=1,5-2,5;
где о-1 — предел выносливости; оа — амплитуда напряжений, К — суммарный коэффициент, учитывающий влияние всех факторов на сопротивление усталости, \|/о — коэффициент влияния ассимет-рии цикла на предельную амплитуду; ат — среднее напряжение.
По аналогии с предыдущим выражением
где коэффициент К учитывает влияние на сопротивление усталости следующих факторов: концентрации напряжений, масштабный фактор, качество обработки поверхности, эксплуатационные факторы (температуру, коррозию, чистоту нагружения, облучение и другие); технологические методы поверхностного напряжения.
Оборудование считают неработоспособным, если его основные силовые элементы имеют запасы прочности ниже установленных нормативными документами (ГОСТ 14249-89, ГОСТ 25859-83): nт = 1,5 — запас прочности по пределу текучести, nв = 2,4 — запас прочности по пределу прочности, nд = 1,5 — запас по пределу длительной прочности, по = 2,0 — запас прочности по амплитудным напряжениям. В эксплуатации величина прочности определяется фактическими физико-механическими свойствами металла конструкции и ее фактической нагруженностью.
В связи с перераспределением напряжений за счет возникаюших пластических деформации в отдельных частях конструкции наметилась тенденция к понижению запасов прочности и проведению расчетов по предельным нагрузкам и деформационным критериям, учитывающим указанное перераспределение. Такие расчеты рекомендуют проводить для газгольдеров, трубопроводов, сосудов, работающих под давлением.
Предельным состоянием сосудов и аппаратов, подвергающихся при эксплуатации равномерном коррозии, в соответствии с РД 26-10-87 является уменьшение толщины его стенки до предельной (расчетной) величины, ниже которой не обеспечивается необходимый запас его несущей способности.
Отдельные локальные повреждения, выявленные при диагностировании, могут являться концентраторами напряжений и. снижать прочность и долговечность сосудов. Поэтому определение работоспособности сосудов осуществляют на основе прочностных расчетов нагруженных элементов по их фактическому состоянию с учетом имеющихся повреждений и изменений физико-механических свойств металла.
Если расчетный коэффициент запаса прочности ниже установленных значений, то принимают решение о снижении рабочих параметров (температуры, давления) или вывода его из эксплуатации.