Способ повышения стойкости элементов конструкций к распространению трещин

(39) ( 16 . 57/00 ОПИСА К ПАТЕНТУ ЗОБ РЕТЕ о - Тср = К (Кто - ЛТ) ины и на- оше 0 - 0,85) Кс(то),К ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1359548, кл, Е 161 57/00, 1984,(54) спОСОБ повышения стойкостиЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ К РАСПРОСТРАНЕНИЮ ТРЕЩИН(57) Сущность изобретения: нагревают и затем охлаждают зоны конструкции в направлении возможного распространениятрешины. Создают поле пластической деПредлагаемое изобретение относится кобласти строительства и эксплуатации сосу: дов для хранения газа, энергомашиностро. ения, корпусов испытательных камервысокого давления, энергетических реакторов и других ответственных конструкций,Оно может быть использовано для повышения предельного состояния и долговечностиконсгрукции с трещиной,Цель изобретения - повышение сопротивления хрупкому разрушению вязкостиразрушения корпусных конструкций, например, корпусов энергетических реакторов засчет создания поля пластической деформации в области вершины трещины.Поставленная цель достигается тем, чтов известном способе повышения стойкостиэлементов конструкций к распространениютрещин, заключающемся в нагреве и последующем охлаждении зоны конструкции внаправлении возможного распространениятрещины, согласно изобретению осуществформации в области вершины трещины. Осуществляют равномерный нагрев элемента конструкции до т-ры То = Тн.вл. + (50-200)К. Последующее охлаждение проводят в два этапа. На первом этапе осуществляют локальное контролируемое охлаждение зоны элемента, содержащей трещины, в соответствии с законом охлаждения, до момента реализации в области вершины трещины коэффициента интенсивности напряжений, удовлетворяющих заданному соотношению, На втором этапе производят охлаждение всего элемента, Тн.в.ш - т-ра выхода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала, 4 ил., 1 табл,ляют равномерный (без градиента температуры по объему) нагрев элемента конструкции до температуры То = Тн.в.ш+ (50 - 200) К, Последующее охлаждение производят в два этапа: на первом этапе осуществляют локальное контролируемое охлаждение эоны элемента конструкции, содержащей трещины, в соответствии с законом охлаждения, описываемым выражением до момента реализации в области ветрещины коэффициента интенсивнопряжений, удовлетворвющего соонию а на втором этапе производят охлаждение всего элемента конструкции со скоростью ч0,3 К/мин, где Т.в - температура выхода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала элемента конструкции, Т,р - температура хладагента как функция времени, К - коэффициент, учитывающий теплофизические свойства материала элемента конструкции и условия теплообмена с внешней средой, о - температурный градиент при К = 1 МПа, ЛТ - разность температур, соответствующая данному о, К - коэффициент, учитывающий распределение термических напряжений в элементе конструкции данной геометрии и с данными формой и длиной трещины, Кы - вязкость разрушения материала элемента конструкции при температуре То.В результате локального нагрева по установленному закону зоны, содержащей трещину, в ней возникают термические напряжения, знак и величина которых являются причиной действия в вершине трещины коэффициента интенсивности напряжений по моде 1 и соответствующих ему полей пластических деформаций, что после второго этапа охлаждения приводит к затуплению ранее острой трещины, что, в свою, очередь, приводит к значительному (в 2-2,5 раза) повышению сопротивления развитиютрещин (вязкости разрушения) при температурах нижнего шельфа температурной зависимости вязкости разрушения, эксплуатация при которых наиболее опасна с точки зрения хрупкого разрушения,Поле пластических деформаций может регистрироваться, например, через величину раскрытия вершины трещины (в.случае поверхностных трещин) или через перемещение реперных точек в зоне расположения трещины (в случае подповерхностных трещин), определяемым, например, оптическими методами,Аналитическое выражение для разности температур элемента конструкции и среды охладителя основано на законе конвективного теплообмена и выражает равенство тепловых потоков при теплосъеме охладителем на границе конакта элемента и подбирэемой в конкретном случае среды охладителя. Тор - температура среды охладителя, которую необходимо обеспечить для того, чтобы в соответствии с приведенным выражением и заданными коэффициентами КД и Кт осуществить контролируемое охлаждение. К- коэффициент, определяемый в зависимости от геометрии зоны охлаждения, параметров трещины и ее формы, с целью обеспечения необходимой величины коэффициента интенсивности напряжений К и монотонности его роста во времени при контролируемом охлаждении Кт =1(Т)/а(Т) - отношение параметров теплопроводности материала элемента конструкции и коэффициента теплообмена его со средой охладителя, Определяется в зависимости от выбора среды охлаждения и материала элемента конструкции кэк функция времени при контролируемом охлаждении.Температурный градиент ц при К = 1 и 10 соответствующее ему приращение температуры ЬТ как функции времени и параметров поверхности охлаждения определяются в соответствии с выбранной зоной охлаждения по закону линейной нестационарной 15 теплопроводности для материала элементаконструкции.Подвергаемая локальному нагреву зонапредставляет собой часть поверхности конструктивного элемента, в которой были обнаружены трещины или трещиноподобные дефекты (например, методами неразрушающего контроля), При этом размеры и форму зоны нагрева определяют для соответствующего конструктивного элемента расчетно- экспериментальным методом из условий соблюдения заданного закона локального охлаждения.Авторами экспериментально найдены оптимальные значения температуры 30 То, коэффициента К и скорости охлаждения.ч элемента на втором этапе, Так при К0,70 Кс(То) эффект повышения вязкости разрушения после охлаждения элемента незначителен вследствие недостаточного раз вития пластических деформаций в областивершины трещины при локальном охлажде-.нии. При К0,85 Кс(То) возникает опасность разрушения элемента конструкции"из-за попадания значения К в полосу раз броса характеристики вязкости разрушенияКс(То), При То(Тн.в.ш, + 50) К эффект повышений вязкости разрушения практически не наблюдается из-за высоких значений предела текучести материала и соответственно незначительных пластических деформаций в вершине трещины, При То(Тн,в.ш. + 200) нагрев элемента трудно и дорого осуществить технологически и, к тому же, могут произойти нежелательные (незапланированные) струк турные изменения в материале. При ч0,3К/мин отмечены случаи возникновения в элементе неблагоприятной системы остаточных напряжений, снижающей в целом трещиностойкость элемента, Поэтому оптимальными являются следующие значения То = Тн,вло. +(50-200) К,К " (0,70-0,85) Кс(То),ч 5 0,3 К/мин,10 имеет цилиндрическую оболочку 1 толщиной а, в которой имеется трещина 2. Зона 15 40 45 щем заданному сроку эксплуатации корпуса, которая является одним из основныхматериалов для изготовления корпусоватомных реакторов,Посредством испытания данных образцов в диапазоне температур 293 - 773 С получали для данной стали температурнуюзависимость вязкости разрушения (фиг. 1),имеющую три участка:участок - нижнегошельфа, П участок - хрупко-вязкого перехода, В участок - верхнего шельфа. Температура, разделяющая П иучастки, была На фиг. 1 показана температурная зависимость вязкости разрушения корпусной стали типа 15 Х 2 МФА: на фиг, 2 - толстостенный сосуд давления с зоной, содержащей трещину и подвергаемой локальному охлаждению;на фиг, 3 - образец, моделирующий зону В сосуда давления (фиг. 2): на фиг. 4 - образец, схемы его локального охлаждения и закрепления. в испытательной машине, моделирующие зону сосуда давле.ния, показанную на фиг, 2.Толстостенный сосуд давления (фиг.2) В, подвергаемая охлаждению по предлагаемому способу включает в себя трещину и имеет размеры Ь и т. Зоиа С - остальная часть сосуда давления.Образец 1 (фиг, 3) с размерами чхЬх 1, соответствующими размерам зоны В, и усталостной трещины 2 является моделью зоны В сосуда давления, показанного на фиг, 2, Образец 1 (фиг. 3) имеет в исходном состоянии технологический выступ 3 с отверстия 4 для шпилек (на чертеже не показаны), с помощью которых осуществляется внецентральное растяжение при выращивании усталостных трещины 2, определении вязкости разрушения и определении оптимальных температурно-силовых режимов предварительного нагружения 1, При определении режимов нагрева и охлаждения по предлагаемому способу выступ 3 срезаетсядо размера цч образца,Образец 1 (фиг. 4), размещенный в термокамере 5, установлен между опорами б испытательной машины ЦД 200/400 Пу (на чертеже не показана, моделирующими реакцию зоны С сосуда на зону В (фиг. 2). В термокамере 5, снабженной системой терморегулирования ВРТ-З, имеется окно 7, предназначенное для охлаждения торцевой поверхности образца 1 с размерами Ьх 1, содержащей трещину 2.П р и м е р. Предварительно проводили исследования образцов (фиг. 3) из ферритоперлитной. стали 15 Х 2 МФА (о 0,2 = 980 МПа) в охрупченном состоянии, соответствую 20 25 30 принята эа температуру Тн.в.ш, (температура начала верхнего шельфа.Далее была испытана серия таких образцов для определения оптимальных режимов предварительного нагружения, создающего поле пластических деформаций в вершине трещины с целью повышения вязкости разрушения на нижнем шельфе температурной зависимости (участок 1) (фиг, 1). Испытания проводились в следующем режиме а) нагрев образца до температуры То = Тн.в.ш, + (10 - 300) К; б) нагружение (внецентренное растяжение) до уровня К 1- = (0,6-0,9). К 14 ТО), где Кус(ТО) - вязкость разрушения при температуре То в) охлаждение до температуры нижнего шельфа (участок ); г) разрушение для определения вязкости разрушения.Результаты испытаний по определению оптимальных температурно-силовых режимов предварительного нагружения сведеныв таблицуПо результатам испытаний были сделаны следующие выводы,Оптимальными температурно-силовыми режимами являются следующие:То = Тн.в.ш. + (50 - 200) К,К = (0,70-0,85) Кс(То)где, в частности, для стали 15 Х 2 МФА (сЪ,2- =980 МПа) Тн.влв. = 453 К. Используя оптимальные температурно-силовые режимы нагружения, была ьйпытана серия образцов для определения оптимальной скорости охлаждения на втором этапе охлаждения, При этом нагружение нагретого до То образца осуществлялось таким образом, чтобы значение К =. (0,7 - 0.85)Кв(То) создавалось путем локального охлаждения зоны, содержащей трещину, а способ установки образца в опорах испытательной машины и конструкция термокамеры были выбраны таким образом (фиг, 3), чтобы моделировать граничные условия эоны корпуса реактора, которая должна подвергаться локальному охлаждению (фиг. 2). Предварительно расчетно-экспериментальным методом было установлено, что для образца из стали 15 Х 2 МФА температура среды охладителя Тср = 293-353 К: К = 146.7 МПа; Кт = 1,48 м: ц = 1,17 К/м МПа; ЬТ = - 0,105 К/МПа.Последовательность испытания образца, подвергаемого локальному охлаждению, . следующая;Образец с предварительно выращенной усталостной трещиной помещали в тер10 15 20 ч :0,3 К/мин. охлаждению. Охлаждение торца образца 1 30йроиэводили при помощи охладителей контактного типа, через которые пропускали по Формула изобретения Способ повышения стойкости элементовконструкций к распространению трещин, заключающийся в нагреве и последующем охлаждении эоны конструкции в направлении возможного распространения трещины, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью .повышения сопротивления хрупкому разрушению корпусных конструкций, например корпусов энергетических реакторов, за счет создания поля пластической деформации в области вершины трещины, осуществляют равномерный нагрев элемента конструкции до температуры То = (Тн.в.ш + (50-200) К, а последующее охлаждение производят в два этапа, причем на первом этапе осуществляют локальное контролируемое охлаждение зоны элемента конструкции, содержащей трещины, в соответствии с законом охлаждения, описываемым вы- ражением 45 К 1 =(0,7 - 0,85) Кс(То) 55 мокамеру и устанавливали с зазором между опорами сжатия установки ЦД 200/400 Пу(фиг. 30),В образце, размещенном в термокамере5, был предварительно установлен датчик перемещения для регистрации величины раскрытия вершины трещины (на чертеже не показан). При помощи термокамеры 5 производился равномерный(без градиента по объему) нагрев образцов 1 до температуры То ==Тн.в.ш, + (50-200) К, После нагрева образца 1 до температуры То осуществлялась выдержка при этой температуре в течение 1-1,5 ч. Градиент температуры по объему образца 1, которыйконтролировался при помощи 10 термопар и девятиточечного прибора (КСП),не превышал 1 К,После нагрева и выдержки выбирали зазор между образцом 1 и опорами сжатия 6, жесткость которых на порядки превышает жесткость образца 1, При выборе зазора с помощью датчика перемещения добивались состояния, чтобы в области вершины трещины 2 отсутствовали напряжения.Далее осуществляли охлаждение торца образца 1, содержащего трещину и соответственно моделирующего зону внутренней поверхности корпуса реактора, содержащую трещину и подвергаемую локальному замкнутому циклу воду с начальной температурой 293 К. В процессе охлаждения производили контроль величины раскрытия вершины трещины д 1 и температуры в вершине трещины. При достижении раскрытием вершины трещины величины д = (0,5-0,65)дс(То), что ; соотве.атвует значению К = (0,7-0,85) Кс(То), подачу хладоагента прекращали, зарегистрировав при этом температуру в вершине трещины в момент, когда К = (0,7-0,85) К 1 с(То) Как было установлено. температура в момент охлаждения, когда К=(0,7-0,85) 4 хК 1 с(ТО), не выходит за пределы диапазона То= - Тн.в.ш. + (50-200)К, т.е. выполняется усло- вие Далее производили второй этап охлаждения образца; контролируя скорость его охлаждения, При этом для трех образцов серии варьировалась скорость.охлаждения так; что ч 1 = 0,2 К/мин, чг = 0,3 К/мин и чз - 1,0 К/мин,Результаты влияния скорости охлаждения приведены в таблице.После охлаждения образца до температуры 293 К, соответствующей для стали 15 Х 2 МФА нижнему шельфу температурной зависимости, образец устанавливали в установке ЦД 200/400 Пу по схеме внецентренного растяжения и подвергали разрушению для определения эффекта описанной выше процедуры. Результаты приведены в таблице,По результатам испытаний можно сделать вывод, что на втором этапе охлаждения оптимальная скорость охлаждения должна удовлетворять соотношению После полного цикла исследования на образцах из стали 15 Х 2 МФА аналогичные исследования проводили на образцах из материала корпуса и на самом корпусе камеры высокого давления, используемой в Институте проблем прочности АН УССР для исследования корпусов гидростатических приборов. Затем после нагружения камеры внутренним гидростатическим давлением до 100 МПа в течение 4 ч было измерено подрастание трещины на внутренней поверхности камеры, Страгивания трещины зарегистрировано не было.По сравнению с прототипом предложенное решение позволяет повысить сопротивление развитию трещины (вязкость разрушения) корпусных конструкций за счет создания поля пластической деформации в области вершины трещины,1813188 10 Кт =(0,70 - 0,85) Кс(То),Т., К при Кг/Кн (Та) Ч, К/мин Отмеченные эффекты Схема натруженна Внецентренное рзсжениеТо же 0.8 0,6 0,85 075 0,7 0.9 0.3 о.з о,э о.э о,э о,з Тщ.+10Т.щ.100Т, 50Т..щ.+120Т.в.щ.+200Т ь.щ.+100 О,В 0.8 О.з о,э Т ,щ.ь 150Локальное охлаждение зоны трещины в жестко закрепленном образцеТоже 0,75 О,э Т..щ.+120 Т щ,120 Тщ.+120 0,750.7 0,2 ,0,1 Твмпероту То Тср, К (КТЦ - ЛТ)до момента реализации в области вершины трещины коэффициента интенсивности. наи ряжений, удовлетворяющего соотношению5 а на втором этапе производят охлаждение всего элемента конструкции со скоростью ч0,3 К/мин, где Тн.В.ш, - температура вы хода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала элемента конструкции; Тср, - температура среды охладителя как функция времени; К - коэффициент, учитывающий распределение термических напряжений в элементе конструкции данной геометрии и с данными формой и длиной трещины; Кт - коэффициент. учитывающий теплофизические свойства материала элемента конструкции и условия теплообмена с внешней средой; 11 - темг 1 ературный градиент, соответствующий К" =1 МПа; ЛТ - разность температур, соответствующая данному о: Кыс(ТО) - вязкость разрушения материала элемента конструкции при температуре То Вязкость разрушения при 293 К практически не повысиласьТо жеВязкость разрушения при 293 К псвысилэсь в 2,0 разаВязкость разрушения прн 293 К повысилвсь в 2,5 разаВязкость разрушения при 293 К повысилзсь в 1.9 разаОтмечались случаи разрушения образца в процессе натруженнапри ТчВязкость разрушения ори 293 К повысилзсь в 2.4 рэавПроцесс нагрева образца весьма трудо- и знергоемогс цотребо.вал значительного усложнения конструкции термокамеры: плв.стические деформации недопустиььо большие, в результате чегоизменились первоначальные размеры образцаВязкость разрушения при 293 К повысилась в 23 раза Вязкость разрушения при 293 К поеысииась в 25 раза В области вершины трвцины образовалась кистела неблагоприятных я товклсти остаточных нзп женив1813188 Редактор орректор И. Муск каз 1594 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина ставитель хред М,Мо