Рост подкритических усталостных трещин в высоконапорных потоковых Манифольдах
Высоконапорные Манифольды потока
длительное время подвергаются чередующимся нагрузкам от 40 МПа до 100 МПа. Деталь без трещины или с начальной трещиной не выйдет из строя, если коэффициент интенсивности напряжений K, создаваемый сочетанием статической внешней нагрузки и трещины, ниже прочности разрушения Kc объекта. Однако при многократных чередующихся нагрузках трещина постепенно увеличивается. Когда трещина увеличивается от начальной длины a0 до критического размера ac, происходит нестабильное разрушение. Это называется отказом от усталости. Процесс роста трещин от a0 до ac при чередующихся напряжениях называется подкритическим усталостным ростом трещины.
Исследования поведения роста трещин при чередующихся нагрузках имеют большое значение для практических инженерных конструкций. При первоначальных повреждениях в инженерной конструкции, таких как внутренние дефекты, микротрещины или включения, разрушение может не возникать под рабочей нагрузкой в начале эксплуатации. Однако большинство инженерных сооружений подвергаются циклическим чередующимся нагрузкам или даже ударным нагрузкам во время эксплуатации, и при таких нагрузках первоначальный ущерб в конструкции растёт медленно. Когда сочетание внешней нагрузки и длины трещины приводит коэффициент интенсивности напряжения к критическому значению, конструкция выходит из строя. Количество циклов нагрузки от начальной трещины до критической длины трещины называется сроком роста усталостной трещины конструкции. До появления механики разрушения традиционная конструкция усталости основывалась на гладких мелких образцах. Хотя этот традиционный метод проектирования внес значительный вклад в предотвращение усталостного разрушения компонентов, он не учитывал возможные дефекты в реальных компонентах и не отражал законы роста трещин. Поэтому его результаты иногда небезопасны, а иногда слишком консервативны. Применение принципов механики разрушения для изучения законов роста трещин при усталости и установление методов расчета конструкции усталости на этой основе является важным дополнением и развитием традиционного анализа усталости. Для более точного прогнозирования срока жизни усталостных трещин в этой статье изучаются законы роста трещин при различных типах чередующихся нагрузок.
Инициация и рост трещины под чередующейся нагрузкой
Процесс усталостного разрушения металлических материалов очень сложен. Для большинства практических инженерных задач, включая высоконапорные потоковые Манифольды и аналогичные компоненты, нагрузки и напряжения часто меняются поочерёдно со временем. При такой чередующейся нагрузке компоненты могут испытать усталость. Обычно трещины от усталости начинаются на поверхности компонента и затем постепенно растут, пока напряжение не достигнет критического значения, после чего развивается нестабильный рост и происходит внезапное разрушение.
Закон роста трещин при постоянной амплитудной переменной нагрузке
Во-первых, изучается рост трещин под постоянной амплитудной чередующейся нагрузкой. Хотя эта форма усталости редко встречается в реальных конструкциях, её легко проверить на обычных машинах для измерения усталости. Кроме того, законы усталостного роста трещин, полученные в результате этого состояния, могут служить основой для изучения роста трещин при других типах усталостной нагрузки. Поэтому большинство данных о росте трещин в материалах получаются под усталостной нагрузкой.
Факторы, влияющие на скорость роста трещин и взаимодействие между нагрузками
Приведённое выше обсуждение показывает, что диапазон коэффициента интенсивности напряжений на кончике трещины является основным параметром, определяющим скорость роста трещины. Однако многие другие факторы также влияют на скорость роста трещин усталости. Хотя их влияние вторично по сравнению с диапазоном коэффициентов интенсивности напряжений, они важны для понимания законов роста трещин и повышения устойчивости материала к усталостному разрушению. Ниже приведены несколько факторов, влияющих на скорость роста трещин.
Влияние пиков перегрузки
Когда пик перегрузки появляется в чередующихся напряжениях при нормальной амплитуде напряжения, это вызывает эффект замедления при последующем росте трещин при циклах с меньшей амплитудой напряжения. Тесты показывают, что эта задержка зависит от величины перегрузки. Чем выше пик перегрузки, тем сильнее задержка. Многократные перегрузки вызывают дополнительную задержку. Очень высокая нагрузка может полностью остановить рост трещин в последующих циклах с низкой амплитудой.
Влияние частоты нагрузки
В целом, чем ниже частота нагрузки, тем выше скорость роста трещины; чем выше частота нагрузки, тем ниже скорость роста трещины. В нижнем частотном диапазоне влияние частоты невелико; в более высоком диапазоне влияние частоты становится более значительным. Также необходимо учитывать взаимодействие нагрузки.
Поведение при росте трещин при постоянной амплитудной нагрузке на усталость — это лишь отправная точка. В реальных инженерных сооружениях большинство циклических нагрузок имеют переменную амплитуду. Поскольку в спектре нагрузок появляются нагрузки с разной амплитудой, между ними происходит взаимодействие, и они влияют на скорость роста трещин в усталости. Многие экспериментальные исследования показывают, что после появления высокоамплитудных нагрузок в спектре последующих темпов роста трещин снижается и требуется определённое количество циклов для восстановления до нормального темпа роста. После появления отрицательной высокоамплитудной нагрузки скорость роста трещин увеличивается. Поэтому при изучении характеристик роста трещин и прогнозировании их жизни необходимо учитывать влияние взаимодействия нагрузки.
Самый простой случай — добавить одну высокую пиковую нагрузку в циклическую нагрузку постоянной амплитуды. Эта высокая пиковая нагрузка называется перегрузкой. Характеристики изменения скорости роста трещин после перегрузки были широко изучены за последние двадцать лет. Исследования показывают, что после каждого перегруза скорость роста трещины значительно снижается.
Эффект задержки, вызванный перегрузкой, приводит к следующим выводам:
1) Остаточное напряжение существует в большой пластиковой зоне, возникающей из-за перегрузки. Совокупный эффект остаточного сжимающего напряжения перед трещиной и приложенного растягивающего напряжения снижает эффективный коэффициент интенсивности напряжения, тем самым снижая скорость роста трещины.
2) Остаточное сжимающее напряжение существует в пластиковой зоне, образуемой из-за перегрузки. Когда кончик трещины входит в пластиковый след, остаточная деформация закрывает трещину. Поскольку напряжение, необходимое для повторного открытия трещины, превышает минимальное напряжение циклической нагрузки, скорость роста трещины снижается.
3) Перегрузка приводит к притуплению кончика трещины, что снижает скорость роста трещины.
Закон роста трещин при переменной амплитудной переменной нагрузке
По влиянию пиков перегрузки на рост усталостных трещин можно сделать вывод, что при переменной амплитудной нагрузке циклы усталости разных амплитуд влияют друг на друга. Учитывая этот эффект, расчёт роста трещин при усталости очень сложный. В инженерии широко используется правило линейного накопления урона Майнера. Он игнорирует влияние между циклами усталости разной амплитуда, независимо рассчитывает количество роста трещин под каждой амплитудой, а затем получает полный рост по линейной суперпозиции.
Для роста усталостных трещин в циклах с переменной амплитудой, независимо от используемого метода анализа, требуется достаточное знание нагрузки. Следует отметить, что порядок циклов с разными амплитудами нельзя перевернуть при вычислении, а циклы одной амплитуды с другой амплитудой нельзя просто сложить вместе.
Кроме того, поскольку перегрузка достигает пиков замедления роста трещин усталости, результаты, рассчитанные по правилу линейного накопления урона Майнера, являются консервативными.
Анализ срока службы роста трещин в высоконапорных потоковых Манифольдах
Когда трещина не приводит к единичному разрушению, но при чередующихся нагрузках амплитуда напряжения превышает определённое значение, небольшая начальная трещина в конструкции или даже трещина, возникшая под чередующейся нагрузкой при отсутствии начальной трещины, постепенно увеличивается до разрушения. Этот процесс — рост трещины, и количество чередующихся циклов нагрузки в этом процессе — это срок жизни роста трещины.
Выводы и анализ
На основе испытаний свойств материала и вышеуказанного анализа и расчёта можно получить следующие выводы по безопасности разрушения типичных компонентов:
1) Поскольку количество чередующихся циклов нагрузки во время эксплуатации относительно невелико, а значение напряжения невысокое, анализ, основанный как на теории усталости, так и на теории роста трещин показывает, что безопасный срок службы превышает 20 лет.
2) Даже если большинство трубопроводных фитингов выходят из строя, протечка происходит первым и предупреждает, что благоприятно для безопасности.
3) Рекомендуется проводить NDT-инспекцию Манифольда каждые 2–3 года. Когда трещины обнаружены, сравните их со значениями, указанными в таблице. Если трещина находится в безопасном состоянии, компонент можно продолжать использовать, но следует наблюдать изменение роста трещин, чтобы вовремя диагностировать проблемы и Манифольд мог работать безопасно и надёжно.
