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 распростра­нения трещины	Высокая (трещина неустойчивая)	Низкая (трещина устойчивая)

Каждый из этих видов разрушения существенно отличается по уровню номинальных и местных разрушащих напряжений и деформаций, скорости развития трещин, 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 до критериям сопротивления разрушению при стационарном, малом и многоцикловом нагружениях.

При расчетах прочности и ресурса несущих нагрузку элементов 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

Номинальные напряжения а„ 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,

Расчеты проводят при предположении упругого или упругопластического 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 пр₀ и п_ 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 вершим 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 Kj_c и деформаций Kj_e.

Критическую температуру определяют экспериментально по установленным методикам.

Под коэффициентом интенсивности напряжений (деформаций) понимают напряженное (деформационное) состояние и 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.

Дислокационный механизм зарождения микротрещин лежит и в основе усталостного разрушения металлов. В этом случае уста­лостные трещины возникают в результате циклического деформи­рования кристаллической решетки металла, если максимальных за период цикла усилий достаточно для появления пластических сдвигов.

Различают разрушение при малоцикловой и много цикловой усталости. Разрушение от малоцикловой усталости - это в условиях повторного упругопластического деформирована»' числом циклов до разрушения 5-10М которое является условной границей мало- и многоцикловой усталости для пластических сталей и сплавов и определяет среднее число циклов для перехода упругопластического к упругому циклическому деформирование При малоцикловой усталости различают: жесткое нагружение, циклическое нагружение, при котором средние и амплитудные значения циклических деформаций сохраняют свои исходиные значения; мягкое нагружение — циклическое нагружение, при котором средние и амплитудные значения циклических напряжен сохраняют свои исходные значения.

Критериями прочности и долговечности элементов конструкций малоцикловой усталости являются: коэффициенты запаса прочности по местным деформациям е_а или напряжениям о_а; заданного режима нагружения

Численные значения коэффициентов n_c, n_o, n_N устанавливают, с учетом типа конструкции и машин, условий их эксплуатации ответственности, опыта проектирования, эксплуатации и изготовления, точности расчетов и задания исходной информации рассеивания характеристик нагруженности и механических свойств

Для сосудов, работающих под давлением, технологических трубопроводов, применяемых в энергетическом и химическом машиностроении, в магистральных трубопроводах

n_e = n_a = 2, n_N = 10

При определении малоцикловой долговечности и оценка накопления повреждений используют: значения циклически упругопластических и односторонне накопленных деформаций максимально нагруженных зонах конструкции и значения располагаемой пластичности (деформационной способности, материала Ef кривую малоцикловой усталости конструкционного материала N_t- = f(Е^k); диаграмму статического и циклическое деформирования.

При много цикловой усталости при одновременном воздействии нормальных и касательных переменных напряжений коэффициент прочности

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): п_т = 1,5 — запас прочности по пределу текучести,

п_в = 2,4 — запас прочности по пределу прочности,

п_д = 1,5 — запас по пределу длительной прочности,

n_a = 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 возникающих пластических деформаций и 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 равномерной коррозии, it соответствии с РД 26-10-87 является уменьшение толщины его станки 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.