Automatic Welding, 2013, №09



2013 №09 (03)

2013 №09 (05)

---

«Автоматическая сварка», 2013, № 9, с. 26-31

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПОР ВЯЗКОГО РАЗРУШЕНИЯ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Е. А. ВЕЛИКОИВАНЕНКО, Г. Ф. РОЗЫНКА, А. С. МИЛЕНИН, Н. И. ПИВТОРАК

ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Реферат
Оценка работоспособности и остаточного ресурса ответственных сварных конструкций с обнаруженными дефектами, в том числе трубопроводов и сосудов давления, предполагает сложный анализ взаимосвязанных многомерных процессов, влияющих на их несущую способность. При этом рациональным является обоснованное снижение консервативности такой оценки, что требует описания предельного состояния конструкции с учетом основных механизмов разрушения. В частности, для магистральных трубопроводов с типичными поверхностными дефектами локального коррозионного утонения стенки без сопутствующих острых концентраторов, основным механизмом развития поврежденности материала является вязкое разрушение. В рамках настоящей работы разработана комплексная методология численного анализа процессов зарождения и развития пор вязкого разрушения металла сварных конструкций, а также критерии для определения их предельного состояния. Так, на основе моделей Гурсона–Твергаарда построена методика расчета напряженно-деформированного состояния конструкции в процессе эксплуатации с учетом изменения несущего нетто-сечения областей конструкции при росте микропористости. Для неизотермического состояния металла, в частности в процессе сварочного нагрева, предложены критерии зарождения пор, а также математическое описание различных механизмов их развития в зависимости от характера внешнего силового воздействия. Применение разработанных подходов продемонстрировано на примере анализа предельного состояния элемента магистрального трубопровода с дефектом локального утонения стенки в области окружного монтажного шва. Показано, что предельное внутреннее давление в трубопроводе с таким эксплуатационным повреждением определяется характером взаимодействия локальных напряжений в зоне сварного шва и геометрической аномалии: чем меньше расстояние между ними, тем меньше нагрузка, необходимая для формирования общей области микроповрежденности, в которой впоследствии зарождаются макродефекты. Аналогичным образом показано значительное влияние пор в монтажном сварном шве трубопровода на несущую способность. Общность разработанных подходов численного анализа процессов вязкого разрушения позволяет применять их для оценки предельного состояния и остаточного ресурса сварных сосудов давления из высокопрочных сталей. Библиогр. 18, табл. 1, рис. 3.
Ключевые слова: вязкое разрушение, порообразование, напряженно-деформированное состояние, предельная нагрузка, сварное соединение, магистральный трубопровод
Поступила в редакцию 20.06.2013
Опубликовано 10.07.2013
1. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1986. — 224 с.
2. Тvergaard V. Material failure by void growth to coalescence // Adv. Appl. Mech. — 1990. — № 27. — P. 83–151.
3. Hancock I., Mackenzie A. C. On the mechanism of ductile failure of a high strength steel subjected in multi-axial stress state// J. Mech. and Phys. Solids. — 1976. — 24, № 213. — P. 147–149.
4. Xue L. Constitutive modeling of void shearing effect in ductile fracture of porous materials // Eng. Fract. Mech. — 2008. — № 75. — P. 3343–3366.
5. Nahshon K., Hutchinson J. W. Modification of the Gurson Model for shear failure // Eur. J. Mech. Solids A. — 2008. — № 27. — P. 1–17.
6. Gurson A. I. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Pt 1. Yield criteria and flow rules for porous ductile media // J. Eng. Mater. and Technol. — 1977. — № 1. — P. 2–15.
7. Tvergaard V., Needleman A. Analysis of the cup-cone fracture in a round tensile bar // Acta Metallurgica. — 1984. — № 32. — P. 157–169.
8. Needleman A. Void growth in an elastic-plastic medium // J. Appl. Mech. — 1972. — № 39. — P. 964–970.
9. Карзов Г. П., Марголин Б. З., Швецова В. А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. — С.-Пб: Политехника, 1993. — 391 с.
10. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом / А. Н. Резников, М. А. Шатерин, В. С. Кунин и др. — М.: Машиностроение, 1986. — 232 с.
11. Теоретические основы сварки / Под ред. В. В. Фролова. — М.: Высш. шк., 1970. — 450 c.
12. Ductile fracture resistance of the weld metal and heat affected zone in a HSLA steel welded joint / A. Sedmak, B. Younise, M. Rakinetal et al. // http:\\www.structuralintegrity. eu/pdf/esis/TC/1/ESIS-TC1-Freiburg/Sedmak%20et%20al.pdf.
13. Махненко В. И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. — Киев: Наук. думка, 1976. — 320 с.
14. Махненко В. И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений и узлов современных конструкций. — Киев: Наук. думка, 2006. — 618 с.
15. Махненко В. И. Проблемы экспертизы современных сварных конструкций ответственного назначения // Автомат. сварка. — 2013. — № 5. — С. 22–29.
16. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник / Под ред. Б. Е. Неймарка. — М.–Л.: Энергия, 1967. — 240 с.
17. ДСТУ-Н Б В.2.3-21:2008. Настанова. Визначення залишкової міцності магістральних трубопроводів з дефектами. — Київ: Мінрегіонбуд України, 2008. — 91 с.
18. Избенко В. Ф., Авраменко В. И., Кривошея В. С. Экспериментальное исследование конструктивной прочности соединений сталей 14ХГН2МД и ВМСт.3 методом гидростатического выпучивания // Автомат. сварка. — 1974. — № 3. — С. 26–29.