WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Таким образом, масштабные разрушения объектов нефтяной и газовой промышленности с катастрофическими последствиями происходят при распространении трещины с ветвлением. Характер разрушения зависит от скорости распространения трещины: продвижение трещины с высокой скоростью по механизму отрыва приводит к осколочному разрушению объектов, а трещина, распространяющаяся с небольшой скоростью по механизму среза, останавливается, вызывая лишь повреждение объекта.

В третьей главе приведены описание методик по исследованию быстрого распространения и ветвления трещин, характеристики исследованных материалов, анализ экспериментальных данных для изучения макроскопических закономерностей разрушения.

В работе разработаны две разновидности методик в зависимости от различных условий реализации ветвления трещин в модельных и конструкционных материалах (рис. 2).

В качестве модельного материала был выбран ПММА. Выбор данного материала обусловлен несколькими причинами: во-первых, ПММА является широко используемым материалом при проведении экспериментов по разрушению, доступен, существует большое количество экспериментальных данных для сравнения; во-вторых, он прозрачен, что позволяет визуально оценить и инструментально измерить поперечный размер зоны процесса разрушения. Проведены испытания на растяжение пластин (плоских образцов) из ПММА с одним боковым надрезом на разрывной машине INSTRON 4483. С целью получения различных уровней р в вершины надрезов наносились инициаторы трещины с различными радиусами закругления. Пластины нагружались со скоростью 1 мм/мин до разрушения при температурах +20 0C и –40 0C, регистрировалась разрушающая нагрузка Fр и проводились исследования закономерностей разрушения.

Номинальное разрушающее напряжение р определяется по формуле для осевого растяжения пластины с надрезом :

,

где b – ширина пластины; l – длина надреза; t – толщина пластины.

Рис. 2. Методики реализации быстрого распространения и ветвления трещин в модельных и конструкционных материалах

Быстрое распространение и ветвление трещин в конструкционном материале была реализовано в серии натурных испытаний цилиндрических сосудов давления, изготовленных из углеродистой стали 45. Сосуды были выбраны по следующим причинам: во-первых, исследования ветвления трещин в тонкостенных цилиндрических оболочках ранее не проводились; во-вторых, благодаря своей компактности, сосуды давления дают широкие возможности для проведения натурных испытаний. На центральную часть каждого сосуда наносился поверхностный дефект в виде продольного надреза различной длины. Нагружение сосуда осуществлялось внутренним давлением в результате расширения замерзающей воды, при достижении критического значения внутреннего гидростатического давления сосуд разрушался в результате инициации трещины от искусственного дефекта. По итогам испытаний были получены данные о разрушающем давлении, температуре внутри и вне сосуда, деформации стенок, и проведены исследования закономерностей разрушения.

Для регистрации экспериментальных данных в процессе нагружения сосуда был разработан специальный автоматизированный измерительный комплекс на базе двух измерительных систем: компьютерно-измерительной системы «Аксамит 6.25», информационно-измерительной системы «СИИТ 2», - и персонального компьютера (рис. 3). Комплекс позволяет производить измерение и регистрацию внутренней и внешней температур сосуда, давления внутри сосуда и деформации его стенок в режиме реального времени.

Для автоматической регистрации данных в процессе эксперимента написана программа на языке Turbo Pascal 7.1 c механизмом адаптивного опроса. Для обработки и анализа полученных данных написана программа на языке Delphi 7 в среде Windows.

Рис. 3. Схема автоматизированного измерительного комплекса.

Номинальные разрушающие напряжения р для сосудов давления вычисляются по эмпирическому соотношению, предложенному А. Даффи, Г. Ханом для тонкостенных стальных цилиндрических оболочек с поверхностными дефектами:

,

где MF – поправка Фолиаса; l – длина надреза; R – радиус сосуда; t – толщина стенки сосуда; d – глубина поверхностного дефекта; – усредненное напряжение пластического течения материала, определяемое экспериментально через механические характеристики T и B. Под р для сосудов давления подразумеваются номинальные окружные разрушающие напряжения.

Для определения T и B были проведены испытания на растяжение плоских образцов из металла сосудов. Экспериментальные разрушающие напряжения рэ определялись из диаграммы растяжения образцов по значениям относительных окружных деформаций р при разрушении сосудов. Вид регрессионного уравнения для вычисления определялся из сравнения экспериментально полученных значений разрушающих напряжений рэ с расчетными значениями р. Наилучшее совпадение между рэ и р (отклонение не превышает 13 %) было достигнуто при использовании регрессионного уравнения, предложенного Г.Ханом, в виде:

.

Закономерности разрушения пластин из ПММА при быстром распространении и ветвлении трещин. Были проведены две серии испытаний по 6 пластин при температурах +200 и -400С (рис. 4). Экспериментальные результаты по исследованию макроскопических закономерностей разрушения ПММА при быстром распространении и ветвлении трещин приведены в табл. 1.

а) б)

Рис. 4. Пластины ПММА после разрушения при температурах +20 0С (а) и -40 0С (б)

Таблица 1. Экспериментальные результаты по исследованию разрушения ПММА

Температура, °C

р, МПа

Режим распространения трещины

, мм

L, мм

Dmax, мм

+20

5–7

по прямолинейной траектории

–40

12,9

с искривлением траектории

0,6

13,5

1,2

15,6

с микроветвлением

19

1,4

17,4

18

1,4

21,2

с ветвлением

15

30

1,8

27,8

9

17

1,6–2,0

Обозначения: и L – расстояния от надреза до начала формирования первой микроветви и до точки ветвления трещины, соответственно; Dmax – максимальный поперечный размер зоны разрушения

При 20 0C трещины распространяются прямолинейно в плоскости, перпендикулярной направлению максимальных растягивающих напряжений; номинальные разрушающие напряжения р составляли 5–7 МПа.

При –40 0C разрушение происходит при более высоких напряжениях, и наблюдаются следующие закономерности разрушения:

- режим распространения трещин зависит от уровня р: при относительно низких значениях р=12-13 МПа трещина распространяется с искривлением траектории без образования микроветвей; при повышении уровня р формируются микроветви; при р>17 МПа наблюдается разделение трещины на две ветви, при этом процесс разрушения сопровождается формированием микроветвей;

- расстояния от надреза до начала формирования первой микроветви и до точки ветвления трещины L зависят от р: чем выше р, тем ближе к надрезу формируются микроветви и уменьшается L.

Закономерности разрушения сосудов давления из стали 45 при быстром распространении и ветвлении трещин. Натурным испытаниям были подвергнуты сосуды давления с надрезами различной длины. Вид сосуда после разрушения приведен на рис. 5. Распространение трещины во всех случаях инициировалось от надреза. По показаниям тензодатчиков поперечная деформация развивалась в упругой и пластической областях. Продольная деформация оставалась в пределах упругой области. По показаниям термопар усредненные значения температур составляли: наружного воздуха - –16 0С, стенок сосудов в момент разрушения - –5 0…–6 0С, внутри сосуда в момент разрушения - –3 0…–4 0С, что сравнимо с условиями эксплуатации подземных магистральных трубопроводов в криолитозоне.

Экспериментальные результаты по исследованию макроскопических закономерностей разрушения стали 45 при быстром распространении и ветвлении трещин приведены в табл. 2 и на рис. 6. Видно, что в этом случае наблюдаются те же закономерности разрушения, что и при испытаниях плоских образцов из модельного материала:

- режим распространения трещин в сосудах зависит от уровня номинального разрушающего напряжения р: при р<422 МПа трещина распространяется прямолинейно, без ветвления; при р>444 МПа наблюдается разделение трещины на две ветви. Зависимость р от длины надреза l приведена на рис. 6, а;

- расстояние от надреза до точки ветвления трещины L зависят р: с повышением р уменьшается L (рис. 6, б).

Таблица 2. Экспериментальные результаты по исследованию разрушения стали Ст45

l, мм

р, %

Pр, МПа

р, МПа

Режим распространения трещины

L, мм

1

50

1,38

51

496

C искривлением траектории и ветвлением в обе стороны от надреза

В нижней части

сосуда – 3 мм,

в верхней части – 40 мм

2

60

1,09

38

473

C искривлением траектории и с ветвлением в нижней части сосуда

75

3

70

0,43

31

444

C искривлением траектории и с ветвлением в нижней части сосуда

140

4

90

0,22

23

422

По прямолинейной траектории

-

Обозначения: р – относительная окружная деформация при разрушении, Pр - разрушающее давление

а) б)

Рис. 6. Зависимости р от длины надреза l (а) и расстояния от надреза до точки ветвления трещины L (б)

Процесс разрушения пластин из ПММА и сосудов из стали 45 с ветвлением трещин сопровождается формированием микроветвей (боковых ветвей) как до, так и после ветвления основной трещины. Микроветви занимают часть толшины образца и имеют клиновидную форму, острие клина выходит на боковую поверхность образца. Клиновидная форма микроветви формируется из-за реализации плоского напряженного состояния при выходе микроветви на свободную поверхность.

С началом формирования микроветвей траектория трещины отклоняется от прямолинейной, микроветви длиной составляют с основной трещиной углы. Значения и для ПММА равны = 15 – 35° и = 2 –30 мм, а для стали 45 ­– = 8 – 10°, = 2 – 130 мм.

Когда микроветвь занимает всю ширину пластины, образуются две равноправные ветви. Обе ветви расходятся, образуя между собой угол, который лежит в диапазоне значений = 23 – 52° и = 40 – 60° для ПММА и стали, соответственно. Видно, что для модельного материала и входят в один диапазон значений, а для конструкционного материала углы ветвления значительно превосходят углы микроветвления, что объясняется различием в деформационных свойствах исследованных материалов.

Таким образом, экспериментально установлены общие для исследованных материалов макроскопические закономерности разрушения: ветвление трещины происходит при критическом уровне номинального разрушающего напряжения * и ширине ветви, равной толщине пластины или оболочки; расстояние от надреза до точки ветвления трещины уменьшается с повышением *.

Четвертая глава посвящена исследованию эволюции зоны процесса трещинообразования. Проведено фрактографическое исследование поверхностей разрушения материалов по пути распространения трещины с использованием растрового электронного микроскопа XL-20 Philips в режиме вторичных электронов.

В работе впервые получена полная картина поверхности разрушения ПММА по всей ширине образца при быстром распространении и ветвлении трещины. На рис. 7 приведена поверхность разрушения ПММА и схематически описаны механизмы разрушения на различных этапах распространения трещины.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.