Длительная работоспособность металлических материалов и тонкостенных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Денисова, Анастасия Александровна

• Денисова, Анастасия Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Денисова, Анастасия Александровна

Глава 1.

Глава 2.

Глава 3.

Глава 4. длительного коррозионного разрушения

Оценка длительной работоспособности конструкций, подвергающихся коррозионному воздействию. Вероятностный подход. Результаты численного исследования задач коррозионно-усталостного разрушения.

Сравнительный анализ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Длительная работоспособность металлических материалов и тонкостенных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой»

Современные достижения по проблеме коррозионного усталостного разрушения

Коррозионное усталостное разрушение

2. 1. Моделирование уравнения коррозионноусталостного разрушения

2.2. Критерий коррозионно-усталостного разрушения

2.2.1. Роль коэффициента интенсивности напряжении в процессах роста коррозионных трещин

2.2.2. Учет неупругой деформации в модели 42

35

35

47

56

4.1. Построение теоретической модели расчета 58 напряжений, в результате роста коррозионных трещин

4.2. О роли коэффициента интенсивности 64 напряжений в процессах роста коррозионных трещин и усталостного разрушения

4.3. Оценка циклической прочности тонкостенных 71 конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой

4.4. Учет неупругой деформации в модели 77 длительного коррозионного разрушения

4.5. Качественное сравнение полученных 83 результатов с известными экспериментальными данными

Заключение 92

Список использованных источников 94

Приложения 103

ВВЕДЕНИЕ

В инженерной практике наблюдаются многочисленные разрушения различных объектов, в частности газо-нефтепроводов, трубопроводов, сосудов давления и других, работающих в условиях воздействия механических напряжений и агрессивных сред.

В этих условиях в металлических материалах и тонкостенных конструкциях возникают характерные точечные дефекты: язвы, полости в металле, начинающиеся с его поверхности, называемые питтингом, и микротрещины. Внешне питтинг проявляется в виде появления углублений на поверхности металла. Питтинги возникают главным образом в защитном слое (нанесенном или образовавшемся естественным образом) по местам различных дефектов (трещин от внутренних напряжений, пор, микровключений, выхода на поверхность границ зёрен, дислокаций и т. п.)

При росте питтингов образуется сквозное отверстие. В этом случае конструкция может не разрушиться, однако теряет свою работоспособность и, практически, находится в аварийном состоянии. Распространение микротрещин до размеров магистральной трещины и их мгновенное развитие приводит к аварийному разрушению конструкции.

В механике разрушения был введен параметр повреждаемости, характеризующий рост и развитие микротрещины. Идея использования такого параметра (О применялась Работновым в теории разрушения, а также была использована в ряде других работ по исследованию разрушения. При моделировании процессов коррозионного разрушения, по аналогии с концепцией Работнова, в работе вводится физико-химический параметр поврежденное™, зависящий от коэффициента интенсивности напряжений. В этом случае, естественно предположить, что коэффициент интенсивности напряжений влияет на скорость химических реакций и процессы разрушения.

Такой подход дает наилучшее приближение к эксперименту, если совместно решать систему дифференциальных уравнений, первое из которых описывает скорость распространения трещины (уравнение Пэриса - Эдрогана), а второе задает рост функции поврежденности. Под поврежденностью, в данном случае, понимаются процессы коррозионной деградации и разрушения слоя материала в вершине трещины.

Поскольку развитие трещины представляет собой не детерминированный, а вероятностный процесс, то важным моментом является разработка вероятностных методов разрушения. Идея такого метода была представлена в работах [6], [23]. Но предложенные модели пока не получили достоверного экспериментального подтверждения. Тем самым возникает задача вероятностного описания реальных процессов, протекающих при коррозионном развитии трещины. Основой развитого в работе вероятностного подхода является гипотеза слабого звена и функция надежности безотказной работы конструкции.

На основании описанных процессов коррозии строятся критерии разрушения для металлических материалов и тонкостенных конструкций.

Применение вероятностного подхода позволяет построение аналитических кривых длительной прочности металлических материалов и конструкций и прогнозирование их длительной работоспособности.

Результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

1. Построение квиетического уравнения роста питтинга с учетом процессов неупругой деформации. Формулировка критерия длительной коррозионной прочности в соответствии с предложенным кинетическим уравнением.

2. Разработка системы взаимосвязанных кинетических уравнений роста коррозионной трещины и формулировка критериев усталостной прочности, учитывающих влияние коэффициента интенсивности напряжений на механические и химические процессы в кончике трещины.

3. Развитие вероятностных моделей в приложении к коррозионному разрушению. Формулировка критериев усталостной прочности, согласно кинетическим уравнениям роста коррозионных микротрещин.

4. Проведение сравнительного анализа теоретических результатов с опытными данными по длительной прочности металлических материалов и тонкостенных конструкций под воздействием агрессивных сред.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Денисова, Анастасия Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные в данной диссертационной работе, дают возможность реальной оценки работоспособности материалов и тонкостенных конструкций в условиях длительной эксплуатации при взаимодействии с коррозионной средой. Диссертационная работа представляет интерес для научных работников, занимающихся вопросами коррозионной прочности и надежности различных металлических материалов и конструкций, а также для инженерно-технических работников, занятых проектированием, строительством и эксплуатацией в различных областях современной техники и машиностроения. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Предложено уравнение роста питтингов с учетом процессов микропластической деформации. Показано, что это уравнение является уравнением Риккати первого порядка.

2. Сформулирована система взаимосвязанных кинетических уравнений, в которых коэффициент интенсивности напряжений считается ответственным за ускорение процессов как механического, так и коррозионного разрушения.

3. С учетом этих уравнений разработан вероятностный метод, основанный на гипотезе слабого звена, и сформулирован критерий разрушения металлических материалов и тонкостенных конструкций, работающих под воздействие коррозионного и циклического нагружения.

4. Теоретически описан эффект пересечения кривых усталости, экспериментально установленный Миллером. Этот факт был получен при моделировании процессов циклического и коррозионного разрушения в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений с учетом воздействия коррозионной среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Денисова, Анастасия Александровна, 2011 год

1. Arutyunyan R. A., Denisova A. A. A failure criterion of metallic materials and structures due to attack of corrosive media. // Advanced Problems in Mechanics' 2001 Saint-Petersburg (Repino), June 21-30, 2001. P. Ill -113.

2. Austen J. M., Walker E. F. //Proc. Conf. The Influence of Environment on Fatigue. London, 1977. - P. 1-10

3. Bathias C., Baudry G. Application de la résistance a la fatigue gigacyclique au calcul de structure // Bulletin S.F.M. Revue Française de Mécanique. 2000. N l.P. 13-18.

4. Coffin L.F. The effect of frequency on the cyclic strain and fatigue behavior of Cast Rene at 1600° F //Met. Trans. 1974. vol. 5. № 5. P. 1053-1060.

5. Gumbel E.J. Statistics of extremes. Columbia University Press. New York. 1958

6. Hoff N.J. The necking and rupture of rods subjected to constante tensile loads // Jour. appl. mech. 1953. vol.20. №1. P. 105-108.

7. J. C. Scully. The fundamental of corrosion. Pergamon Press. Oxford. New York et al. 1975.

8. J. L. Bogdanoff, F. Kozin Probabilistic Models of Cumulative Damage. M: «Мир», 1989.

9. К. J. Miller. Materials science perspective of metal fatigue resistance/ Materials science and technology. June 1993. Vol.9 p. 453 462

10. Kaelbly D. N. A relationship between the fracture mechanics and surface energetic failure criteria // Journal of Applied polymer Science. 1974. V. I 8. №6. P. 1869-1880

11. Lloyd D., Lipov M. Reliability: management, methods and mathematics. Prince Hall. Inc. Englewood Cliffs. New Jersey. 1962

12. Parkins R. N, Greenwall B. S. //Metal Sci. -1977. 11, №8-9. - P. 405-413

13. Refat EL-Sheikhy, Nobuo Nishimura. Comparisons of cracking processes among directional fracture theories. (New Treatment. Technology report of the Osaka University / Vol. 49. 15 April, 1999. (Faculty of engineering Osaka University, Japan) p. 72 77

14. Rhodes D., Musuva J. K., Radon J. C. //Eng. Fract. Mech. 1981.-15, №3-4.-P. 407-419

15. Wei R. P., Landes J. D. //Moter. Res. and Stand. 1969-9, №7. - P. 25-46

16. Акимов Г. В. Теория и методы исследования коррозии металлов. М. -Л.: АН СССР. 1945. 415 с.

17. Арутюнян Р. А. Вероятностная модель разрушения вследствие питтинговой коррозии//Проблемы прочности. 1989. №12. С. 106-108.

18. Арутюнян Р. А. Проблема деформационного старения и длительного разрушения в механике материалов. Изд-во СПбГУ, 2004. 252 стр.

19. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. Учет неупругой деформации в модели длительного коррозионного разрушения. // Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 3. 2001. (№ 17). С. 60-64.

20. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. Кинетика роста коррозионных трещин и критерий усталостного разрушения. // Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 3. 2002. (№ 17). С. 42-46.

21. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. О роли коэффициента интенсивности напряжений в процессах роста коррозионных трещин и усталостного разрушения. //Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 2. 2002. (№ 17). С. 59-64.

22. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия. 1985. 192 с.

23. Арчаков Ю. И. Исследование скорости водородной коррозии труб из углеродистой стали // АН СССР, Журнал прикладной химии. М. Л.: 1960. Т. 33. Вып. 11. С. 2547-2552.

24. Астафьев В. И., Рагузин Д. Ю., Тетюева Т. В., Шмелев П. С. Оценка склонности стали к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением // Заводская лаборатория. 1994. Т. 60. №1. С. 37-40.

25. Астафьев В. И., Ширяева JI. К. Накопление поврежденности в металлах и коррозионное растрескивание металлов под напряжением. Самара. Изд-во «Самарский университет». 1998. 123 с.

26. Боли Б. А., Уэйнер Дж. X. Теория температурных напряжений. М.: Мир. 1964. 517 с.

27. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение. 1990. 448 с.

28. Болотина В. В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат. 1965. 280с.

29. Гольдштейн Р. В., Осипенко Н. М. Модель разрушения трубопроводной стали при наводороживании // Физико-химическая механика материалов. 1996. Т. 32. №53. С. 25-33.

30. Гутман Э. М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Металлургия. 1981. 271 с.

31. Денисова А. А. Оценка циклической прочности тонкостенных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой. // Научные труды VI Международного симпозиума «Современные проблемыпрочности» им. В. А. Лихачева. Т. 2. Великий Новгород. 2003. С. 56 -61.

32. Деформирование материалов и элементов конструкций в агрессивных средах//Сарат. политех, ин-т. Саратов. 1983. 100 с.

33. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. ML: «Наука», 1971. 576 стр.

34. Карпунин В. Г., Клещев С. И., Корнишин М. С. К расчету пластин и оболочек с учетом общей коррозии // Тр. X Всес. конф. по теории пластин и оболочек. Т. 1, Тбилиси: Мецниереба. 1975. С. 166-174.

35. Качанов Л. М. О времени разрушения в условиях ползучести // Изв. АН СССР. ОТН. 1958. №8. С. 26-31.

36. Качанов Л. М. Основы механики разрушения. М.: Наука. 1974. 312 с.

37. Кинделл В. В. Испытания на долговечность трубопроводов горячего водоснабжения.// Труды американского общества по испытанию металлов, т.11. 1952 г.

38. Колгатин Н. Н., Гликман Л. А., Теодорович В. П. Методика длительных испытаний на разрыв трубчатых образцов под внутренним давлением водорода при высоких температурах // Заводская лаборатория. 1957. Т. 23. № 9. С. 1098-1101.

39. Колотыркин Я. М., Лазоренко-Маневич Р. М. // Journal Electroanalitic chemistry.-1987-228, № 1-2,- Р/ 301-328.

40. Корнишин М. С., Карпунин В. Г. К устойчивости пластин и оболочек с учетом общей коррозии // Тр. семин. по теор. оболочек. Каз. физ. тех. ин-т. АН СССР. Вып. 6. 1975. С. 58-66.

41. Коррозионная стойкость оборудования химических производств. Нефтеперерабатывающая промышленность. Справочное руководство. Под ред. Сухотина А. М. И Арчакова Ю. И. JL: «Химия». 1990.400 с.

42. Кулагин Д. А., Локощенко А. М. Анализ влияния окружающей среды на длительную прочность с помощью вероятностного подхода // Известия РАН. Механика твердого тела. 2001. № 1.

43. Локощенко А. М. Ползучесть и длительная прочность металлов в агрессивных средах. М.: Изд-во Моск. ун-та. 2000. 178 с.

44. Максимович Г. Г., Павлина В. С., Скицкий Р. Ю. Длительная прочность деформированных материалов в условиях физико-химических воздействий // Физико-химическая механика материалов. 1976. Т. 12. №5. С. 85-87.

45. Макуха Н. В. Вероятностный подход к расчету и оптимальному проектированию элементов конструкций, взаимодействующих сагрессивной средой // Мат. и электрон, моделир. в машиностр. Киев. 1989. С. 84-89.

46. Нельсон Г.Г. Водородное охрупчивание. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1988, с. 256-333.

47. Овчинников И. Г. Об одной схеме учета воздействия коррозионной среды при расчете элементов конструкций // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1984. №1. С. 34-38.

48. Овчинников И. Г., Елисеев Л. Л. Применение логистического уравнения для описания процесса коррозионного разрушения // Физ. -хим. механика материалов. 1981. №6. С. 30-35.

49. Павлов П. А., Кадыбеков Б. А., Колесников В. А. Прочность сталей в коррозионных средах. Алма-Ата: Наука. 1987. 272 с.

50. Павловский Б. Р., Гольдштейн Р. В., Саакиян Л. С. К оценке эффективности металлопокрытий в условиях наводороживания // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1981. Вып. 1. С. 14-15

51. Работнов Ю. Н. О возможном механизме разрушения металла в коррозионной среде // Известия АН СССР. ОТН. 1954. №6. С. 53-56.

52. Работнов Ю. Н. О механизме длительного разрушения // Вопросы прочности материалов и конструкций. М.: Изд-во АН СССР. 1959. С. 5-7.

53. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука. 1966. 752 с.

54. Ребиндер П. А., Щукин Е. Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессе их деформации и разрушения // Успехи физических наук. 1972. Т. 108, Вып. 1.С. 3-42.

55. Романив О. Н. Новые подходы к оценке коррозионной усталости металлов // Итоги науки и техники. Серия «Коррозия и защита от коррозии». 1990. Т. 16. С. 55-88.

56. Романив О. Н., Никифорчин Г. Н. Механика коррозионного разрушения конструкционных материалов. М.: Металлургия . 1986. 294 с.

57. Серенсена С. В., Когаева В. П. Стохастические теории накопления усталостных повреждений. Машиноведение, 1966, №3, с. 62-68

58. Стеклов О. И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М.: Машиностроение. 1976. 200 с.

59. Тымьяк Н. И., Андрейкив А. Е. Определение скорости роста трещины в условиях совместного действия статических нагрузок и коррозионно-активной среды // Физико-химическая механика материалов. 1995. №2. С. 68-74 (укр.).

60. Фархадов А. А. Изучение условий изменения коррозии образцов из стали марки Ст. 3 в Каспийском море.// Коррозия металлоконструкции в море. Вып. 1. Азнефтеиздат, Баку. 1954.

61. Цикерман JI. Я. Диагностика коррозии трубопроводов с применением ЭВМ. М.: Недра. 1977.

62. Цикерман Л. Я. Долгосрочный прогноз опасности грунтовой коррозии металлов. М: «Недра». 1966. 175 стр.

63. Явойский В. И., Хаазе Р., Лузгин В. П. Химическое взаимодействие неметаллических включений со сталью в твердом состоянии // Известия АН СССР. Металлы. 1974. №3. С. 39-54.

64. Долгий А. А., Красовский А. Я., Маковецкая И. А., Тороп В. М. Опыт оценки ресурса магистральных трубопроводов, претерпевших длительные эксплуатационные воздействия.

65. Партон В. 3., Морозов Е. М. Механика упругопластического разрушения. М.: «Наука». 1985. 505 с.