Способ повышения стойкости элементов конструкций к распространению трещин Советский патент 1993 года по МПК F16L57/00 

Предлагаемое изобретение относится к области строительства и эксплуатации сосудов для хранения газа, знергомэшиностро- ения, корпусов испытательных камер высокого давления, энергетических реакторов и других ответственных конструкций. Оно может быть использовано для повышения предельного состояния и долговечности конструкции 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 осуществляют 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 зоны элемента конструкции, содержащей трещины, в соответствии с законом охлаждения, описываемым выражением

То - Тер KS (М - AT)

до момента реализации в области вершины трещины коэффициента интенсивности напряжений, .удовлетворяющего соотношению

К| (0,70-0,85)(То),

а на втором этапе производят охлаждение всего элемента конструкции со скоростью v 0,3 К/мин, где Тн.в.ш. температура выСО

хода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала элемента конструкции, Тср - температура хладагента как функция времени, К - коэффициент, учитывающий теплофизические свойства материала элемента конструкции и условия теплообмена с внешней средой, q - температурный градиент при К$ 1 МПа, ДТ - разность температур, соответствующая данному q, К - коэффициент, учитыва- ющий распределение термических напряжений в элементе конструкции данной геометрии и с данными формой и длиной трещины, К|С - вязкость разрушения материала элемента конструкции при тем- пературе Т0. ,

В результате локального нагрева по установленному закону зоны, содержащей трещину, в ней возникают термические напряжения, знак и величина которых являют- ся причиной действия в вершине трещины коэффициента интенсивности напряжений по моде 1 и соответствующих ему полей пластических деформаций, что после второго этапа охлаждения приводит к затупле- нию ранее острой трещины, что, в свою, очередь, приводит к значительному (в 2-2,5 раза) повышению сопротивления развитию трещин (вязкости разрушения) при температурах нижнего шельфа температурной зави- симости вязкости разрушения, эксплуатация при которых наиболее опасна с точки зрения хрупкого разрушения.

Поле пластических деформаций может регистрироваться, например, через величи- ну раскрытия вершины трещины (в случае поверхностных трещин) или через перемещение реперных точек в зоне расположения трещины (в случае подповерхностных трещин), определяемым, например, оптически- ми методами.:

Аналитическое выражение для разности температур элемента конструкции и среды Охладителя основано на законе конвективно- го теплообмена и выражает равенство тепло- вьгх потоков при теплосъеме охладителем на границе контакта элемента и подбираемой в конкретном случае среды охладителя.

ТСр - температура среды охладителя, которую необходимо обеспечить для того, чтобы в соответствии с приведенным выражением и заданными коэффициентами и Кт осуществить контролируемое охлаждение. коэффициент, определяемый в зависимо- етй от геометрии зоны охлаждения, параметров трещины и ее формы, с целью обеспечения необходимой величины коэффициента интенсивности напряжений Ki и монотонности его роста во времени при контролируемом охлаж-

дении. Кт А(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 q при К 1 и соответствующее ему приращение температуры AT как функции времени и парамет- РОЁ поверхности охлаждения определяются в соответствии с выбранной зоной охлаждения по закону линейной нестационарной 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 расчетно- экспериментальным методом из условий соблюдения заданного закона локального охлаждения.

Авторами экспериментально найдены оптимальные значения температуры Т0, коэффициента KI и скорости охлаждениям элемента на втором этапе. Так при К| 0,70 К|С(То)эффект повышения вязкости разрушения после охлаждения элемента незначителен вследствие недостаточного развития пластических деформаций в области вершины трещины при локальном охлаждении. При К| 0,85 К|с(Т0) возникает опасность разрушения элемента конструкции из-за попадания значения KI в полосу разброса характеристики вязкости разрушения KlcfTo). 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 То (Тн.в.ш. + 200) нагрев элемента трудно и дорого осуществить технологически и, к тому же, могут произойти нежелательные (незапланированные) структурные изменения в материале. При v 0,3 К/мин отмечены случаи возникновения в элементе неблагоприятной системы остаточных напряжений, снижающей в целом трещино- стойкость элемента.

Поэтому оптимальными являются следующие значения То Тн.в.ш 4 (50-200) К,

Ki (0,70-0,85) К|с(То).

v 0,3 К/мин.

На фиг. 1 показана температурная зависимость вязкости разрушения корпусной стали типа 15Х2МФА: на фиг. 2 - толстостенный сосуд давления с зоной, содержа- щей трещину и подвергаемой локальному охлэжденикхна 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) имеет цилиндрическую оболочку 1 толщиной w. в которой имеется трещина 2. Зона В, подвергаемая охлаждению по предлагаемому способу включает в себя трещину и имеет размеры h и t. Зона С - остальная часть сосуда давления.

Образец 1 (фиг. 3) с размерами wxhxt, соответствующими размерам зоны В, и ус- талостной 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 ус- таяостных трещины 2, определении вязкости разрушения и определении опти- мальных 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 В (фиг. 2). 8 термокамере 5, снабженной системой терморегулирования ВРТ-3, имеется окно 7, предназначенное для охлаждения торцевой поверхности образца 1 с размерами hxt, содержащей трещину 2.

Пример. Предварительно проводили исследования образцов (фиг. 3) из феррито- перлитной стали 15Х2МФА (оэ.2 980 МПа) в охрупченном состоянии, соответствующем заданному сроку эксплуатации корпу- са, которая является одним из основных материалов для изготовления корпусов атомных реакторов.

Посредством испытания данных образцов в диапазоне температур 293-773°С пол- учали для данной стали температурную зависимость вязкости разрушения (фиг. 1), имеющую три участка: I участок - нижнего шельфа, II участок - хрупко-вязкого перехода, ill участок - верхнего шельфа. Температура, разделяющая i II и III участки, была

принята за 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 I) (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). Kic(To), где KicfTo) - вязкость разрушения при температуре Т0 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 температурнр-силовы- ми режимами являются следующие:

То Т„.в.ш. + (50-200) К. Ki (0,70-0,85) KicfTo),

где, в частности, для стали 15Х2МФА (оо,2 980 МПа) Тн.в.ш. 453 К. Используя оптимальные температурно-силовые режимы нагружения, была иЪпытана 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)К|С(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 зоны корпуса реактора, которая должна подвергаться локальному охлаждению (фиг. 2). Предварительно расчетно-эксперимен- тальным методом было установлено, что для образца из стали 15Х2МФА температура среды охладителя ТСр 293-353 К; К 146,7 МПа; Кт 1,48 м; q 1,17 К/м МПа; ДТ -0,105К/МПа.

Последовательность испытания образца, подвергаемого локальному охлаждению, следующая.

Образец с предварительно выращенной усталостной трещиной помещали в термокамеру 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 Т0 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 (К СП-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 охлаждению. Охлаждение торца образца 1. производили при помощи охладителей контактного типа, через которые пропускали по замкнутому циклу воду с начальной температурой 293 К.

В процессе охлаждения производили контроль величины раскрытия вершины трещины д( и температуры в вершине трещины. При достижении раскрытием вершины трещины величины д (0,5-0,65)5|сЛо), что соответствует значению Ki (0,7-0,85) Kic(To), подачу хладоагента прекращали, зарегистрировав при этом температуру в вершине трещины & момент, когда Ki (0,7-0,85) KicfTo). Как было установлено, температура в момент охлаждения, когда К|(0,7-0,85) ; xKic(T0), не выходит за пределы диапазона Т0; Тн.в.ш. + ,-(50-200)К, т.е. выполняется условие:

Ki (0,7-0,85) К|с(То).

Далее производили второй этап охлаждений образца, контролируя скорость его охлаждения, При этом для трех образцов серии варьировалась скорость .охлаждения так, что Vi 0,2 К/мин, V2 - 0,3 К/мин и УЗ 1,6 К/мин.

Результаты влияния скорости охлаждения приведены в таблице.

После охлаждения образца до температуры 293 К, соответствующей для стали 5 15Х2МФА нижнему шельфу температурной зависимости, образец устанавливали в установке ЦД 200/400 Пу по схеме внецентрен- ного растяжения и подвергали разрушению для определения эффекта описанной выше 0 процедуры. Результаты приведены в таблице.

По результатам испытаний можно сделать вывод, что на втором этапе охлаждения оптимальная скорость охлаждения должна 5 удовлетворять соотношению

v 0,3 К/мин.

После полного цикла исследования на

0 образцах из стали 15Х2МФА аналогичные Исследования проводили на образцах из материала корпуса и на самом корпусе камеры высокого давления, используемой в Институте проблем прочности АН УССР для исс5 ледования корпусов гидростатических приборов. Затем после нагружения камеры внутренним гидростатическим давлением до 100 МПа в течение А ч было измерено подрастание трещины на внутренней пр0 верхности камеры. Страгивания трещины зарегистрировано не было.

По сравнению с прототипом предложенное решение позволяет повысить сопротивление развитию трещины (вязкость

5 разрушения) корпусных конструкций за счет . создания поля пластической деформации в области вершины трещины.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

0 Способ повышения стойкости элементов конструкций к распространению трещин, заключающийся в нагреве и последующем охлаждении зоны конструкции в направлении возможного распространения трещины,

5 отличающийся тем, что, с целью

повышения сопротивления хрупкому разр.ушению корпусных конструкций, например

корпусов энергетических реакторов, за счет

создания поля пластической деформации в

0 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 осуще5 ствляют локальное контролируемое охлаждение зоны элемента конструкции, содержащей трещины, в соответствии с законом охлаждения, описываемым выражением

То - Тер. Kg (KTq - AT) до момента реализации в области вершины трещины коэффициента интенсивности напряжений, удовлетворяющего соотношению

Кт (OJO-0,85)KicfTo),

а на втором этапе производят охлаждение всего элемента конструкции со скоростью v 0,3 К/мин, где Тн.в.ш. - температура выхода на верхний шельф температурной зависимости вязкости разрушения материала элемента конструкции; ТСр. - температура среды охладителя как функ0

ция времени; КЈ- 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 - температурный градиент, соответствующий Kg 1 МПа; AT-разность температур, соответствующая данному q; K|C(T0) - вязкость разрушения материала элемента конструкции при температуре Т0.

Сущность изобретения: нагревают и затем охлаждают зоны конструкции в направ- лении 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.

ФИГ. I

W

A-A

/

ФИГ. 3