ОЦЕНКА СТАТИЧЕСКОЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ СОСУДОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Проведен анализ критериев разрушения и предельных состояний для тонкостенных сосудов, работающих под давлением, с учетом влияния пластических деформаций. Описаны основные проблемы эксплуатации тонкостенных сосудов, работающих под внутренним избыточным давлением, связанные с технологической дефектностью и исчерпанием нормативного ресурса. Представлены характерные технологические и эксплуатационные дефекты в сварных швах сосудов и статистические данные по их количеству и типам. Дефекты сварки составили 62 % от общего числа дефектов, остальные типы дефектов — значительно меньше процентов. Построены гистограммы размеров дефектов сварки и определены законы распределения: длина подрезов описывалась логнормальным законом распределения, глубина — нормальным законом распределения. Обозначены предельные состояния и критерии разрушения сосудов при наличии дефектов и трещин в условиях упругопластического деформирования материала. Показаны преимущества использования обобщенных уравнений вида «J-кривые» при расчете на трещиностойкость. Приведена формула для расчета «J-кривых», связывающая безразмерный J-интеграл с безразмерной нагрузкой. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния тонкостенного сосуда с поверхностной полуэллиптической и внутренней эллиптической трещинами в объемной постановке. Исследованы особенности полей напряжений и деформаций в локальной области зоны трещины при упругопластическом деформировании. Выполнены расчеты и представлены результаты оценки энергетического критерия механики разрушения — J-интеграла для модели сосуда с поверхностной полуэллиптической и внутренней эллиптической трещинами при упругопластическом деформировании. Результаты представлены в виде графиков зависимости безразмерного J-интеграла от геометрических размеров сосуда и трещины. Получены уравнения «J-кривых» и определена предельная нагрузка для тонкостенных сосудов, зависящая от геометрических размеров, параметров нагружения, прочностных свойств материала, характеристик трещиностойкости и деформирования. По «J-кривым» и кривой деформирования получена формула для определения зависимости предельной нагрузки от размера трещины, параметров нагружения и характеристик материала. С использованием этой формулы построены зависимости предельного давления сосуда при упругопластических деформациях от отношения длины трещины a к толщине стенки сосуда S (a/S) для поверхностных и внутренних трещин при различных отношениях R/S (R — радиус оболочки) и Jc, позволяющих оценить уровни предельного давления для безопасной эксплуатации тонкостенных сосудов.

1. Хисматуллин Е. Р., Королев Е. М., Лившиц В. И. и др. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — 384 с.

2. ASME Professional Development programs. Design, Inspection and Repair of ASME section VIII, Division 1, Pressure Vessels. — Houston, TX. — 1999.

3. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. — Л.: Машиностроение, 1970. — 240 с.

4. Никольс Р. Конструирование и технология изготовления сосудов давления. — М.: Машиностроение, 1975. — 461 с.

5. Куркин С. А. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением. — М.: Машиностроение, 1976. — 184 с.

6. Шахматов М. В., Ерофеев В. В., Коваленко В. В. Работоспособность и неразрушающий контроль сварных соединений с дефектами. — Челябинск: ЦНТИ, 2000. — 227 с.

7. Анискович Е. В., Лепихин А. М., Москвичев В. В. Оценка предельных состояний тонкостенных сосудов давления с технологической дефектностью / Тр. II Евразийского симп. по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Ч. 1. — Якутск: ЯФ ГУ «Изд. СО РАН», 2004. С. 126 – 143.

8. Анискович Е. В., Лепихин А. М., Москвичев В. В. Оценка влияния трещиноподобных дефектов на прочность тонкостенных сосудов / Тр. науч. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». Т. 3. — Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003. С. 5 – 10.

9. Карзов Г. П., Леонов В. П., Тимофеев Б. Т. Сварные сосуды высокого давления: Прочность и долговечность. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. — 287 с.

10. Карзов Г. П., Тимофеев Б. Т., Леонов В. П. и др. Вопросы нормирования технологических дефектов сварных соединений сосудов высокого давления. — Ленинград: ЛДНТП, 1974. — 36 с.

11. ГОСТ 14249–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 59 с.

12. ПНАЭ Г-7-002–86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 525 с.

13. Chell G. G. Post-yield fracture mechanics theory and its application to pressure vessels / Int. J. Pres. Ves. Piping. N 5. 1977. P. 123 – 147.

14. Москвичев В. В., Махутов Н. А., Черняев А. П. и др. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем. — Новосибирск: Наука, 2002. — 334 с.

15. Махутов Н. А., Бурак М. И., Кайдалов В. Б., Ларионов В. В. Исследование и анализ разгерметизации сосуда, нагруженного внутренним циклическим давлением жидкости / Проблемы прочности. 1990. № 9. С. 17 – 21.

16. Махутов Н. А., Зайнулин Р. С., Гумеров К. М. Прочность сосудов давления с трещиноподобными дефектами / Ресурс и прочность оборудования нефтеперерабатывающих заводов: межвуз. научно-темат. сб. — Уфа: УНИ, 1989. С. 40 – 52.

17. Москвичев В. В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений: в 3-х ч. Ч. 1. — Новосибирск: Наука, 2002. — 106 с.

18. Махутов Н. А., Москвичев В. В., Козлов А. Г., Сухоруков С. В. Расчет на трещиностойкость плоских элементов конструкций с использованием J-интеграла. Сообщение 1. Обоснование метода. Сообщение 2. Учет концентрации напряжений / Проблемы прочности. 1988. № 8. С. 3 – 14.

19. Морозов Е. М., Никишков Г. П. Метод конечных элементов в механике разрушения. — М.: Наука, 1980. — 256 с.

20. Плювинаж Г. Механика упругопластического разрушения / Пер. с франц. — М.: Мир, 1993. — 450 с.

21. Rice J. R., Sweldow L. The surface crack: physical problems and computational solutions. — New York: ASME, 1972. P. 171 – 186.

22. Rice J. R., Paris P. C., Merkle J. R. Some further results on J integral analysis and estimates. ASTM STP 536, 1978. — 426 p.

23. Hill R. The Mathematical Theory of Plasticity. — Oxford Univ. Press, 1998. — 386 p.

24. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. — М.: Машиностроение, 1968. — 246 с.

25. Kim Yun-Jae, Kim Jin-Su, Young-Jae Park, Kim Young-Jin. Elastic-plastic fracture mechanics method for finite internal axial surface cracks in cylinders / Eng. Fract. Mech. 2004. P. 44.