книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1
.pdfРис. 3.16. Распределение размеров дефектов, встречающихся в корпусах атомных реакторов:
а, б — соответственно дифференциальное и интегральное распределение
боте [48], показал доминирующую роль процессов усталости в возникновении и раз витии повреждений. Как следует из табл. 3.9, для сосудов высокого давления обыч ных энергетических установок из первого контура атомных электростанций наблю дается достаточно хорошее соответствие распределений отказов по причинам, их вызывающим. Это свидетельст вует об общности закономернос тей повреждения сосудов обеих групп. На основе этого анализа в работе [19] были сделаны сле дующие выводы об особенностях усталостного, в том числе мало циклового, повреждения сосудов высокого давления. Усталостное повреждение определяете? не стационарными режимами эгс-
ллуатации, приводящими к I teременным механическим нагруз кам и неоднородным температур ным полям. Существенную роль в усталостном повреждении иг рают локальные напряжения, обусловленные концентрацией, сваркой, технологическими де фектами, неоднородными темпе ратурными полями и т. п. Осо
бенно опасно сочетание концентратов напряжений различной природы. Развитию усталостного повреждения способствует коррозионное воздействие
рабочей среды, которое приводит к поверхностным повреждениям и охрупчиванию материала.
Важен также вопрос хрупкого разрушения сосудов давления. Хотя такие разру шения встречаются редко, учитывая их катастрофические последствия, исключению
Рис. 3.18. Эксплуатационные напряжения в корпусе цилиндра высокого давлеиияг / — о» 2—0,
к дополнительному охрупчиванию. Все это инициировало возникновение трещины, которая получила быстрое развитие в условиях циклического нагружения.
Во всех рассмотренных выше случаях разрушения деталей турбогенераторов имели место технологические дефекты, усугубленные в ряде случаев неправильным выбором материалов и его охрупчиванием в процессе эксплуатации.
Весьма сложная картина изменения напряжений — в корпусах цилиндров тур бины. На рис. 3.18 приведены напряжения, имеющие место в некоторых точках кор пуса цилиндра высокого давления в зоне регулирующей ступени при наиболее ха рактерном эксплуатационном режиме турбины; пуска из «горячего» состояния, ос танове и перевода ее в горячий резерв [144]. Как видно из рисунка, уровень напря жений в пределах эксплуатационного цикла достаточно велик и имеет весьма слож ный характер. Наиболее вероятный вид разрушения в этом случае — возникнове ние трещин малоцикловой усталости в зонах концентрации напряжений.
К числу основных проблем’ разработки современных ядерных реакторов, для когорых характерно глубокое выгорание ядерного горючего, относится проблема обеспечения надежной работы тепловыделяющих элементов (твэлов) и других эле ментов активной зоны.
Условия работы твэлов реакторов, например реакторов на быстрых нейтронах, достаточно тяжелы. Теплонапряженность твэлов большая (объемное тепловыделение до 900 квт/л активной зоны), и для съема тепла используются жидкие щелочные ме таллы (например, Na), прокачиваемые со скоростью 10 м/с и имеющие температуру на выходе из реактора до 873 К. При этом температура оболочки твэла достигает 1023 К, температура в центре топливного стержня (из U 02) превышает 2273 К, а ра диальные температурные градиенты в топливе составляют 500 град/мм. Время работы твэла достигает 104 ч при плотности потока быстрых нейтронов 1025— !01в н/(см2*с). Интегральный поток за время кампании составляет (1—3) • 1023 н/см2. При таких больших интегральных потоках объем конструкционных материалов
существенно |
изменяется (увеличение объема — распухание аустенитной ста- |
н — может |
составлять 10 %), что в значительной степени определяет поведение |
инструкционных элементов [73].
Для реакторов транспортных установок характерны частые пуски, остановы,. е;>сходы с одного уровня мощности на другой (не считая различных аварийных режи-
MOB), т. e. нагружение элементов активной зоны носит существенно переменный ха рактер. Транспортные установки обычно рассчитываются на продолжительное вре мя эксплуатации, в течении которого число переходных режимов может быть до статочно большим (несколько тысяч).
В процессе эксплуатации оболочки твэла испытывают длительное нагружение при постоянной или весьма медленно изменяющейся температуре (работа реактора на заданном уровне мощности), прерываемой теплосменами (переходные режимы). Оболочка нагружена меняющимися во времени внутренним давлением газовых про дуктов деления и распухающего, топлива, внешним давлением теплоносителя и не однородным тепловым полем (причем осевые температурные градиенты обычно зна чительно меньше окружных и радиальных) [73]. Все это делает задачу обеспечения прочности деталей активной зоны реактора весьма сложной и нуждающейся в хоро шем обеспечении данными о характеристиках сопротивления материала деформи рованию и разрушению в условиях, отображающих реальные условия эксплуатации.
Надежность обеспечения населения и промышленности электроэнергией опре деляется не только безотказной работой энергетического оборудования, большое значение имеет работа устройств распределения электроэнергии. В качестве приме ра можно привести аварию в январе 1965 г. в США, когда огромная территория пло щадью около 200 тыс. кв. км, где расположены такие города, как Нью-Йорк, Бостон и другие, в течении многих часов полностью оказались без электроэнергии [41]. В течении этого времени бездействовала огромная энергетическая система мощ ностью 48 мил. кВт. Убытки превысили 100 млн долларов. Как выяснилось в резуль тате расследования, причиной аварии явился отказ релев системе защиты Ниагар ской ГЭС, вследствие «пригорания» его контактов, т. е. вследствие недостаточной стойкости и прочности контактов в условиях знакопеременных механических нагру зок, электрических разрядов, коррозионного окисления и тому подобного, характер ных для условий работы реле. Материалы контактов должны обладать большой меха нической прочностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью, хорошисопротивлением окислению и др. Совмещение таких свойств возможно лишь в компо зиционных материалах типа вольфрам—медь и т. п. Некоторые свойства таких ма териалов приведены в табл, 2.75.
3.5. Детали и узлы общемашиностроительного назначения
В технике используется большое количество деталей и узлов обще машиностроительного назначения. К ним можно отнести неразъемные (заклепочные, сварные, прессовые) соединения; разъемные (болтовые и винтовые, шпоночные и шлицевые, клиновые) соединения; передачи (зубчатые и червячные, цепные, фрик ционные, гибкой связью, шатуиио-кривошидные); валы и оси, их соединения и опо ры (валы и оси, муфты, подшипники качения и скольжения); пружины и рессоры и Т. п. [93]. Условия эксплуатации, типичные разрушения и методы расчета на проч ность этих деталей и узлов подробно рассматриваются в многочисленной специаль ной литературе [9, 24, 51, 62, 135, 180, 192, 193].
Проводится большая работа по оптимизации этих деталей и узлов путем со вершенствования методов расчета на прочность и долговечность по критериям разрушеПия и износа, оптимизации конструктивных форм, снижения динамической и дру гой напряженности, не связанной с основными рабочими процессами, использова нием новых конструкционных и других материалов и методов их обработки н покры тий, позволяющих повысить рабочие характеристики и снизить материалоемкость и т. п. Все это требует более глубокого знания реальной напряженности деталей и узлов, действительных процессов, определяющих условия достижения материалами предельного состояния, характеристик сопротивления материалов деформированию и разрушению в этих условиях и т. д.
Важным является также переход от расчета на прочность и долговечность пс критериям статической прочности, которые наиболее часто используются в практи ке, к расчетам по критериям мало-, термо- и многоцикловой усталости, износа, меха ники разрушения, длительной прочности и т. п.
Не повторяя существующие многочисленные методы оценки напряженно-де формированного состояния и расчетов на прочность подобных деталей и узлов,
|
|
ступицы к номинальному напряжению от изгиба ств |
||||||
|
|
отдельно для сжатых а с, |
растянутых а р волокон, |
|||||
|
|
и |
среднее |
значение |
этого |
коэффициента |
сса = |
|
|
|
= |
стс4-Ср |
|
|
|
|
|
|
|
—гг-— в зависимости от удельного давления Рс |
||||||
|
|
под ступицей и его отношения к напряжениям |
изги |
|||||
|
|
ба. Как видно из этого рисунка, в рассматриваемой |
||||||
|
|
точке имеет место высокая |
концентрация напряже |
|||||
|
|
ний. Схема |
развития |
процесса фреттинг-коррозии |
||||
|
|
под торцом напрессованной ступицы показана на |
||||||
|
|
рис. 3.21. Более подробно процесс фреттинг-корро- |
||||||
эффициентов |
концентрации |
зии рассматривается в следующем разделе. |
|
|||||
|
На рис. 3.23 в |
качестве примера |
приведены |
|||||
напряжений от |
контактного |
кривые выносливости для образцов диаметром 30 мм |
||||||
давления в ступице: |
из сталей 35 и 38ХНМА с |
напрессованными |
втул |
|||||
J — аР'; 2 — а а'; S — а |
ками из стали Ст4, |
иммитиругощими |
прессовые |
|||||
|
|
соединения |
[124]. Из рисунка видно, |
что предел |
||||
|
|
выносливости сталей |
при наличии прессового сое |
|||||
динения существенно снижается, |
например, для стали 28ХНМА почти |
в три |
раза |
|||||
по сравнению с гладкими образцами. |
|
|
|
|
|
Используя поверхностные пластические деформирования, химико-термическую обработку, применяя полимерные покрытия, можно повысить характеристики со противления усталостному разрушению прессовых соединений. Некоторые данные по этому вопросу приведены на рис. 3.23.
3.5.2. Резьбовые соединения. Наиболее широкое распространение из разъем ных соединений получили резьбовые, которые можно условно разделить на крепеж ные соединения (шпилечные, болтовые) и резьбовые соединительные элементы (со
единения тяг, |
штанг |
и труб). Крепежные соединения в процессе сборки получают? |
|||||||||
предварительное |
монтажное |
усилие |
(затяг), |
|
|
|
|||||
обеспечивающее |
нераскрытие |
стыка. |
|
Опти |
|
|
|
||||
мальные режимы работы таких соединений |
|
|
|
||||||||
осуществляются при больших значениях уров |
|
|
|
||||||||
ней напряжений |
предварительной |
затяжки. |
|
|
|
||||||
В связи с этим крепежные соединения |
рабо |
|
|
|
|||||||
тают в условиях |
асимметричных |
циклов на |
|
|
|
||||||
гружения. |
|
|
|
|
элементы (тя |
|
|
|
|||
Резьбовые соединительные |
|
|
|
||||||||
ги, штоки, трубы), в отличие |
|
от крепежных, |
|
|
|
||||||
работают как при симметричном, так и несим |
|
|
|
||||||||
метричном цикле нагружения, |
что |
наклады |
|
|
|
||||||
вает свои особенности на процессы деформи |
|
|
|
||||||||
рования и разрушения в соединениях 1129). |
|
|
|
||||||||
Резьбовые крепежные и соединительные эле |
|
|
|
||||||||
менты в основном воспринимают |
осевые на |
|
|
|
|||||||
грузки. Из-за погрешностей изготовления |
|
|
|
||||||||
сопрягаемых |
деталей |
могут иметь места так |
|
|
|
||||||
же нзгибные |
напряжения. |
Наиболее |
часто |
|
|
|
|||||
в резьбовых соединениях имеют место уста |
|
|
|
||||||||
лостные разрушения, |
вызванные |
цикличес |
|
|
|
||||||
кими нагрузками. В литературе [129] отме |
|
|
|
||||||||
чается, что наряду с разрушениями от много |
|
|
|
||||||||
цикловой усталости, характерной |
для |
резь |
|
|
|
||||||
бовых соединений, наблюдаются и разруше |
|
|
|
||||||||
ния от малоцикловой усталости. |
|
|
разру |
|
|
|
|||||
Анализ видов эксплуатационных |
|
|
|
|
|||||||
шений резьбовых соединений показывает [14, |
образцов из |
сталей |
35 (/, 3, 4, 6) |
||||||||
190, 193],что приблизительно 50% разруше |
и 38ХНМА |
(2, 5, 7, 8): |
|||||||||
ний происходят |
вследствие |
|
несовершенства |
J, 2 — с напрессованными втулками; |
|||||||
их конструкции и методов расчета, 25 % — |
4, 7 — без втулок; 3, 5 — со втулками* |
||||||||||
по вине изготовления,' 25% — в |
результате |
механо-ультразвуковая |
обработка; |
||||||||
неправильной-эксплуатации |
|
машин |
и уста- |
8 — без втулок, механо-ультразвуко |
|||||||
|
вая обработка |
|