Способ повышения стойкости элементов конструкций к распространению трещин

 

Сущность изобретения: нагревают и затем охлаждают зоны конструкции в направлении возможного распространения трещины. Создают поле пластической деформации в области вершины трещины. Осуществляют равномерный нагрев элемента конструкции до т-ры Т0 Тн.в.ш. + +(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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

F 16 1 57/00

То — Тср = К@ (КтЦ вЂ” ЛТ) К = (0,70 — 0,85)К с(То), ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (2 1) 4952694/29 (22) 10,06.91 (46) 30,04.93, Бюл. N 16 (76) f3.T.Òðîùåíêî, В.В.Покровский, В.Г,Каплуненко, П.П.Ворошко, Ю,Г.Драгунов, A,В.Гетманчук и Б.Т.Тимофеев (56) Авторское свидетельство СССР

N 1359548, кл. F 16 1 57/00, 1984. (54) СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ

ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ К РАСПРОCTPAHE×ÈÞ ТРЕЩИН (57) Сущность изобретения: нагревают и затем охлаждают зоны конструкции в направлении возможного распространения трешины. Создают поле пластической де. Предлагаемое изобретение относится к области строительства и эксплуатации сосу: дов для хранения газа, энергомашиностро. ения, корпусов испытательных камер высокого давления, энергетических реакторов и других ответственных конструкций, Оно может быть использовано для повышения предельного состояния и долговечности конс грукции с трещиной, Цель изобретения — повышение сопротивления хрупкому разрушению вязкости разрушения корпусных конструкций, например, корпусов энергетических реакторов за счет создания поля пластической деформации в области вершины трещины.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе повышения стойкости элементов конструкций к распространению трещин, заключающемся в нагреве и последующем охлаждении зоны конструкции в направлении возможного распространения трещины, согласно изобретению осуществ„„Би„„)813188 АЗ формации в области вершины трещины.

Осуществляют равномерный нагрев элемента конструкции до т-ры То = Тн.s.» +

<+0-200)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,s,» — т-ра выхода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала, 4 ил., 1 табл. — 1

llAloT равномерный (без градиента температуры по объему) нагрев элемента конструкции до температуры To = Т .s.» + (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 вершины трещины коэффициента интенсивности напряжений, удовлетварвющего соотношению а на втором этапе производят охлаждение всего элемента конструкции со скоростью

v < 0,3 К/мин, где T> s,», - температура вы1813188 хода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала элемента конструкции, Т,р — температура хладагента как функция времени, К вЂ” коэффициент, учитывающий теплофизические свойства материала элемента конструкции и условия теплообмена с внешней средой, q — температурный градиент при К = 1 МПа, ЛТ вЂ” разность температур, соответствующая данному q, К вЂ” коэффициент, учитывающий распределение термических напряжений в элементе конструкции данной геометрии и с данными формой и длиной трещины, К с — 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 развитию трещий (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 (e.cëó÷àe 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 контакта элемента и подбираемой в конкретном случае среды охладителя.

Tcp — температура среды охладителя, которую необходимо обеспечить для того, чтобы в соответствии с приведенным выражением и заданными коэффициентами К 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, К, =it(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 как функция времени при контролируемом охлаждении.

Температурный градиент ц при К = 1 и

10 соответствующее ему приращение температуры ЛТ как функции времени и параметров поверхности охлаждения определяются в соответствии с выбранной зоной охлаждения по закону линейной нестационарной

15 теплопроводности для материала элемента конструкции.

Подвергаемая локальному нагреву зона представляет 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 расчетноэкспериментальным методом из условий соблюдения заданного закона локального охлаждения.

Авторами экспериментально найдены оптимальные значения температуры

30 То, коэффициента Ki и скорости охлаждения v элемента на втором этапе, Так при

К! < 0,70 К! (То) эффект повышения вязкости разрушения после охлаждения элемента незначителен вследствие недостаточного развития пластических деформаций в области вершины трещины при локальном охлажде-. нии; При К > 0,85 Kic(To) возникает опасность разрушения элемента конструкции" из-за попадания значения Kl в полосу раз40 броса характеристики вязкости разрушения

Klc(To), ПРи То < (Тн.в.ш. + 50) К эффект повышения вязкости разрушения практически не наблюдается из-за высоких значений предела текучести материала и соответственно незначительных пластических деформаций в вершине трещины, При Т, > (Тн. .ш. + 200) нагрев элемента трудно и дорого осуществить технологически и, к тому же, могут произойти нежелательные (незапланированные) струк50 турные изменения в материале. При v > 0,3

К/мин отмечены случаи возникновения в элементе неблагоприятной системы остаточных напряжений, снижающей в целом трещиностойкость элемента.

Поэтому оптимальными являются следующие значения То = Тн,B.ù + (50-200) К, Kf (0,70 — 0,85) Klc(To), v 0,3 К/мин.

1813188

10 имеет цилиндрическую оболочку 1 толщиной w, в которой имеется трещина 2. Зона 15

45 щем заданному сроку эксплуатации корпу- 50 са, которая является одним из основных материалов для изготовления корпусов атомных реакторов, Посредством испытания данных образцов в диапазоне температур 293 — 773 С пол- 55 учали для данной стали температурную зависимость вязкости разрушения (фиг. 1), имеющую три участка: I участок — нижнего шельфа, П участок — хрупко-вязкого перехода, В участок — верхнего шельфа. Температура, разделяющая П и III участки, была

На фиг. 1 показана температурная зависимость вязкости разрушения корпусной стали типа 15Х2МФА: 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 h и т. Зоиа С вЂ” остальная часть сосуда давления.

Образец 1 (фиг, 3) с размерами чхЬхт, 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 внецен. тральное 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 срезается до размера w образца.

Образец 1 (фиг. 4), размещенный в термокамере 5, установлен между опорами 6 испытательной машины ЦД 200/400 Пу (на чертеже не показана, моделирующими реакцию зоны С сосуда на зону 8 (фиг. 2). 8 термокамере 5, снабженной системой терморегулирования BPT-3, имеется окно 7, предназначенное для охлаждения торцевой поверхности образца 1 с размерами hxt, co держащей трещину 2.

Пример. Предварительно проводили исследования образцов (фиг. 3) из ферритоперлитной стали 15Х2МФА (оО,z = 980 Mfla) в охрупченном состоянии, соответствую20

30 принята эа температуру Тн,B.m, (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 = (0,6 — 0,9). К1,(Т„), где Kic(To) — вязкость разрушения при температуре То в) охлаждение до температуры нижнего шельфа (участок I); г) разрушение для определения вязкости разрушения.

Результаты испытаний по определению оптимальных температурно-силовых режимов предварительного нагружения сведены в таблицу.

По результатам испытаний были сделаны следующие выводы, Оптимальными температурно-силовыми режимами являются следующие:

То = Тн.в.ш. + (50 — 200) К, К! = (0,70-0.85) К с(То) где, в частности, для стали 15Х2МФА (ob,р=980 МПа) Тн.влн. = 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 обра-. зом, чтобы значение K) =. (0,7 — 0.85)Klc(To) 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 15Х2МФА температура среды охладителя Tcp = 293-353 К;

К = 146.7 МПа; Кт = 1,48 м; q = 1,17 К/м

МПа; hT = — 0,105 К/МПа.

Последовательность испытания образца, подвергаемого локальному охлаждению, следующая;

Образец с предварительно выращенной усталостной трещиной помещали в тер1813188 охлаждению. Охлаждение торца образца 1 30 йроиэводили при помощи охладителей контактного типа, через которые пропускали по

К! = (0,7 — 0,85) К)с(То), 55 мокамеру и устанавливали с зазором между опорами сжатия установки ЦД 200/400 Пу (фиг. 30), В образце, размещенном в термокамере

5, 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 Ò =

=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, который контролировался при помощи

10 термопар и девятиточечного прибора (КСП-4),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 4 и температуры в вершине трещины. При достижении раскрытием вершины трещины величины д1 = (0,5-0,65)д (Т ), что

; соотвец. твует значению Ki = (0,7-0,85) К((То), подачу хладоагента прекращали, зарегистрировав при этом температуру в вершине трещины в момент, когда Kl = (0,7-0,85) К1с(Т0). Как было установлено. температура в момент охлаждения, когда Ki=(0,7-0,85) 4 хК с(Т ), не выходит за пределы диапазона Т0=

- Тн.в.ш. + (50-200)К, т.е. выполняется условие

Далее производили второй этап охлаждения образца; контролируя скорость его охлаждения, При этом для трех образцов серии варьировалась скорость.охлаждения так; что V> = 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

15Х2МФА 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 ч <: 0,3 К/мин.

После полного цикла исследования на образцах из стали 15Х2МФА аналогичные исследования проводили на образцах из материала корпуса и на сэмом 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, Формула изобретения

Способ повышения стойкости элементов конструкций к распространению трещин, заключающийся в нагреве и последующем охлаждении эоны конструкции в направлении возможного распространения трещины, отличающийся 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 Т0 = (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 выражением

1813188

Кт =(0,70 — 0,85) Klc(To), Т, K при 14/Кь (Т,) т» .- «45эк

V, К/мин

Отмеченные эффекты

Схема натруженна

Внецентренное ра"»»жение

То же

0.8

0.6

0.85

0,75

0.7

0.9

0.3

О.з

О.э

0.3 о,э

0.3

T» ° и.+10

Т» ° и.+100

T» ° и.+50

Т» ° и.+120

Т».в.и.+200

Т» g и.+100

0.8

0.8

О.з о.э

Т»э,и.+150 т», .+300

Локальное охлаждение зоны трещины в жестко закрепленном образце

Та же

0.75

0.3

T». ° ж»+120

Т» ь и.+120

Т» ° аж+120

0,75

0.7

0,2, 0.1

To Tcp, Kg (KTq ЛТ) до момента реализации в области вершины трещины коэффициента интенсивности. наи ряжений, удовлетворяющего соотношению

5 а на втором этапе производят охлаждение всего элемента конструкции со скоростью ч « 0,3 К/мин, где Тн.0.10, — температура вы- 10 хода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала элемента конструкции; Тср.— температура среды охладителя как функция времени; К вЂ” 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; q — темт1ературный градиент, соответствующий К =1 МПа; ЛТ вЂ” разность температур, соответствующая данному q; К с(ТО) — вязкость разрушения материала элемента конструкции при температуре То.

Вязкость рэзругвения при 293 К практически не повысилась

То же

Вязкость разрушения при 293 K гювысилэсь в 2,0 раза

Вязкость разрушения при 293 K повысилась в 2,5 раза

Вязкость разрушения при 293 К гювысилась в 1.9 разе

Отмечались случаи разрушения образца в процессе натруженна при тч

Вязкость разрушения яри 293 K повысилэсь в 2.4 резв

Процесс нагрева образца весьма трудо- и энергоемок. гютребоаал значительного усложнения конструкции термокамеры; пластические деформации недопуспию большие. в результате чего изменились первоначальные размеры образца

Вязкость разрушения при 293 К гювысилась в 2,3 раза

Вязкость разрушения при 293 К повысилась в 2 5 раза

В области вершины трещины образовалась кистела неблагоприятных я то@клети остаточных нап жанна

1813188

1813188

Составитель В. Трощенко б

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор И. Муска

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1594 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5