نمو شق الإجهاد تحت الحرج في مشعبات الضغط العالي
مشعبات خطوط تدفق عالية الضغط
تتعرض لفترة طويلة لأحمال متناوبة بين 40 ميغاباسكال و100 ميجاباكال. المكون الذي لا يوجد فيه شق أو مع شق أولي لن يفشل عندما يكون عامل شدة الإجهاد K الناتج عن مزيج من الحمل الخارجي الساكن والكسر أقل من صلابة الكسر Kc للجسم. ومع ذلك، تحت الأحمال المتناوبة المتكررة، يزداد الشق تدريجيا. عندما ينمو الشق من الطول الأولي a0 إلى الحجم الحرج ac، يحدث فشل غير مستقر. هذا ما يسمى بفشل التعب. عملية نمو الشقوق من a0 إلى AC تحت الإجهاد المتناوب تسمى نمو شقوق التعب تحت الحرج.
الأبحاث حول سلوك نمو الشقوق تحت الأحمال المتناوبة لها أهمية كبيرة جدا للهياكل الهندسية العملية. عندما يكون هناك ضرر أولي في هيكل هندسي، مثل العيوب الداخلية أو الشقوق الدقيقة أو الشوامل، قد لا يحدث الكسر تحت حمل العمل في بداية الخدمة. ومع ذلك، تتعرض معظم الهياكل الهندسية لأحمال متناوبة دورية أو حتى أحمال صدمة أثناء الخدمة، وتحت هذه الأحمال ينمو الضرر الأولي في الهيكل ببطء. بمجرد أن يجعل الحمل الخارجي وطول الشق عامل شدة الإجهاد يصل إلى القيمة الحرجة، يفشل الهيكل. عدد دورات التحميل التي يتم تجربتها من الشق الأولي إلى طول الشق الحرج يسمى عمر نمو شق الإجهاد للهيكل. قبل ظهور ميكانيكا الكسور، كان التصميم التقليدي للتعب يعتمد على عينات صغيرة ناعمة. على الرغم من أن هذه الطريقة التقليدية قدمت مساهمات كبيرة في منع فشل المكونات بسبب الإجهاد، إلا أنها لم تأخذ في الاعتبار العيوب المحتملة في المكونات الفعلية ولم تعكس قوانين نمو الشقوق. لذلك، تكون نتائجه أحيانا غير آمنة وأحيانا مفرطة في المحافظة. تطبيق مبادئ ميكانيكا الكسور لدراسة قوانين نمو الشقوق والإجهاد ووضع طرق حساب تصميم الإجهاد على هذا الأساس هو مكمل مهم وتطوير لتحليل الإجهاد التقليدي. للتنبؤ بعمر نمو شقوق التعب بدقة أكبر، تدرس هذه المقالة قوانين نمو الشقوق تحت أنواع مختلفة من الأحمال المتناوبة.
بدء الشقوق ونموها تحت الحمل المتناوب
عملية كسر الإجهاد للمواد المعدنية معقدة جدا. بالنسبة لمعظم المشكلات الهندسية العملية، بما في ذلك مشعبات الضغط العالي ومكونات مشابهة، غالبا ما تتغير الأحمال والإجهادات بالتناوب مع مرور الوقت. تحت هذا الحمل المتناوب، قد تتعرض المكونات لفشل التعب. عادة ما تبدأ تشققات الإجهاد على سطح المكون ثم تنمو تدريجيا حتى يصل الإجهاد إلى قيمة حرجة، وبعدها يتطور نمو غير مستقر ويحدث كسر مفاجئ.
قانون نمو الشقوق تحت الحمل المتناوب ذو السعة الثابتة
أولا، يتم دراسة نمو الشقوق تحت حمل متردد بسعة ثابتة. على الرغم من أن هذا الشكل من الإجهاد نادرا ما يرى في الهياكل الفعلية، إلا أنه من السهل اختباره على أجهزة اختبار الإجهاد العادية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون قوانين نمو الشقوق الناتجة عن الإجهاد المستمدة من هذه الحالة أساسا لدراسة نمو الشقوق تحت أنواع أخرى من تحميل التعب. لذلك، يتم الحصول على معظم بيانات نمو شقوق الإجهاد للمواد تحت تحميل الإجهاد.
العوامل التي تؤثر على معدل نمو الشقوق والتفاعل بين الأحمال
تظهر المناقشة أعلاه أن نطاق عامل شدة الإجهاد عند طرف الشق هو المعامل الرئيسي الذي يحدد معدل نمو الشق. ومع ذلك، هناك عوامل أخرى كثيرة تؤثر أيضا على معدل نمو شقوق التعب. على الرغم من أن تأثيرها ثانوي مقارنة بنطاق عامل شدة الإجهاد، إلا أنها مهمة لفهم قوانين نمو الشقوق وتحسين مقاومة المواد لكسر التعب. يتم تقديم عدة عوامل تؤثر على معدل نمو الشقوق أدناه.
تأثير قمم التحميل الزائد
عندما تظهر ذروة تحميل زائد في إجهاد متبادل تحت سعة إجهاد عادية، تنتج تأثيرا تباطؤا على نمو الشقوق اللاحق تحت دورات إجهاد-سعة أقل. تظهر الاختبارات أن هذا التأخير يعتمد على مقدار التحميل الزائد. كلما زادت ذروة التحميل الزائد، زادت نسبة التأخير. التحميل الزائد المتعدد يسبب تأخر إضافي. قد يؤدي التحميل الزائد العالي جدا إلى إيقاف نمو الشقوق تماما خلال دورات منخفضة السعة اللاحقة.
تأثير تردد التحميل
بشكل عام، كلما انخفض تردد التحميل، زاد معدل نمو الشقوق؛ كلما زادت تردد التحميل، انخفض معدل نمو الشقوق. في نطاق التردد الأدنى، يكون تأثير التردد صغيرا؛ في النطاق الأعلى، يصبح تأثير التردد أكثر وضوحا. يجب أيضا أخذ تفاعل الحمل في الاعتبار.
سلوك نمو الشقوق تحت تحميل الإجهاد بسعة ثابتة هو مجرد نقطة انطلاق. في الهياكل الهندسية الفعلية، معظم الأحمال الدورية هي أحمال ذات سعة متغيرة. نظرا لأن الأحمال ذات السعات المختلفة تظهر في طيف الأحمال، هناك تفاعل بين هذه الأحمال ذات السعة المختلفة، وتؤثر على معدل نمو شقوق الإرهاق. تظهر العديد من الدراسات التجريبية أنه بعد ظهور أحمال عالية السعة في طيف الأحمول، ينخفض معدل نمو الشقوق اللاحق ويحتاج إلى عدد معين من الدورات للعودة إلى معدل النمو الطبيعي. بعد ظهور حمل سلبي عالي السعة، يزداد معدل نمو الشقوق لاحقا. لذلك، عند دراسة خصائص نمو الشقوق والتنبؤ بعمر نمو الشقوق، يجب أخذ تأثير تفاعل الحمل في الاعتبار.
أبسط حالة هي إضافة حمل ذروة عالي واحد إلى التحميل الدوري ذي السعة الثابتة. يسمى هذا الحمل العالي بالحمل الزائد. تمت دراسة خصائص تغير معدل نمو الشقوق بعد التحميل الزائد بشكل موسع خلال العشرين سنة الماضية. تظهر الأبحاث أنه بعد كل حمل زائد، ينخفض معدل نمو الشقوق بشكل ملحوظ.
تأثير التأخير الناتج عن التحميل الزائد له الاستنتاجات التالية:
1) يوجد إجهاد متبقي في المنطقة البلاستيكية الكبيرة الناتجة عن التحميل الزائد. يؤدي التأثير المشترك للإجهاد الضاغطي المتبقي قبل الشق والإجهاد المطبق إلى تقليل عامل شدة الإجهاد الفعال، وبالتالي تقليل معدل نمو الشق.
2) يوجد إجهاد انضغاطي متبقي في منطقة البلاستيك الناتجة عن التحميل الزائد. عندما يدخل طرف الشق إلى الأثر البلاستيكي، يؤدي التشوه المتبقي إلى إغلاق الشق. نظرا لأن الإجهاد المطلوب لإعادة فتح الشق أعلى من الحد الأدنى للإجهاد للحمل الدوري، ينخفض معدل نمو الشقوق.
3) التحميل الزائد يسبب تخفيف رؤوس الشقوق، مما يقلل من معدل نمو الشقوق.
قانون نمو الشقوق تحت الحمل المتناوب ذو السعة المتغيرة
من تأثير قمم التحميل الزائد على نمو شقوق الإجهاد، يمكن الاستنتاج أنه تحت التحميل المتغير، تؤثر دورات التعب ذات السعات المختلفة على بعضها البعض. اعتبار هذا التأثير يجعل حساب نمو شقوق التعب معقدا للغاية. في الهندسة، تستخدم قاعدة الضرر التراكمي الخطي لماينر على نطاق واسع. يتجاهل التأثير بين دورات الإجهاد ذات السعات المختلفة، ويحسب مقدار نمو الشقوق تحت كل سعة بشكل مستقل، ثم يحصل على النمو الكلي وفقا للتراكيب الخطي.
لنمو شقوق الإجهاد تحت دورات السعة المتغيرة، بغض النظر عن طريقة التحليل المستخدمة، يتطلب الأمر معرفة كافية بالحمل. يجب ملاحظة أن ترتيب دورات السعات المختلفة لا يمكن عكسه في الحساب، ولا يمكن ببساطة جمع دورات نفس السعة مفصولة بحمل سعة آخر.
بالإضافة إلى ذلك، وبما أن قمم التحميل الزائد تبطئ نمو الشقوق الناتج عن التعب، فإن النتائج المحسوبة بقاعدة الضرر التراكمي الخطية لماينر تكون محافظة.
تحليل عمر نمو الشقوق لمشعبات الضغط العالي
عندما لا ينتج الشق كسرا أحادي الحدث، ولكن تحت الأحمال المتناوبة، تتجاوز سعة الإجهاد قيمة معينة، أو تنمو تدريجيا شق أولي صغير في الهيكل، أو حتى شق ناتج تحت حمل متردد دون وجود شق أولي، حتى الفشل. هذه العملية هي نمو الشقوق، وعدد دورات الحمل المتناوب في هذه العملية هو عمر نمو الشقوق.
الاستنتاجات والتحليل
استنادا إلى اختبارات خصائص المواد والتحليل والحساب أعلاه، يمكن الحصول على الاستنتاجات التالية بشأن سلامة الكسر للمكونات النموذجية:
1) نظرا لأن عدد دورات التحميل المتناوبة أثناء الخدمة منخفض نسبيا وقيمة الإجهاد ليست مرتفعة، تظهر نتائج التحليل من نظرية التعب ونظرية نمو الشقوق أن عمر الخدمة الآمن يزيد عن 20 سنة.
2) حتى لو تعطلت معظم وصلات الأنابيب، يحدث التسرب أولا ويوفر تحذيرا، وهو أمر مفضل للسلامة.
3) يوصى بإجراء فحص NDT على المشعب كل سنتين إلى ثلاث سنوات. عند العثور على شقوق، قارنها بالقيم المذكورة في الجدول. إذا كان الشق في حالة آمنة، يمكن الاستمرار في استخدام المكون، لكن يجب ملاحظة تغير نمو الشقوق حتى يمكن تشخيص المشاكل في الوقت المناسب ويعمل المشعب بأمان وموثوقية.
