Визначення залишкових напружень і оцінка їх впливу на довговічність кільцевих зварних з'єднань трубопроводів

Abstract

Дисертацію присвячено розвиткові розрахунково-експериментального методу визначення залишкових напружень в зонах багатошарових кільцевих швів трубопроводів і оцінці їх впливу на довговічність зварних з’єднань за наявності гострокінцевих дефектів при дії повторно-змінних навантажень. В рамках теорії оболонок побудовано математичну модель для визначення компонентів напруженого стану з урахуванням двовимірного розподілу залишкових несумісних деформацій локалізованих біля шва, та структурно-фазових змін в зоні термічного впливу. Вона грунтується на розв’язанні обернених задач теорії оболонок з власними напруженнями і використанні експериментальної інформації, отриманої неруйнівними методами. Використавши математичну модель закриття тріщини і концепцію ефективного розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень, отримано розрахункову модель для врахування впливу залишкових напружень на втомне руйнування при циклічному навантаженні. Оцінено вплив залишкових напружень на довговічність трубопроводу з осьовим поверхневим дефектом в зоні зварного з’єднання під дією експлуатаційного навантаження.

Диссертация посвящена развитию расчетно-экспериментального метода определения остаточных напряжений в зонах многослойных кольцевых швов трубопроводов и оценке их влияния на долговечность сварных соединений при наличии остроконечных дефектов под действием переменных нагрузок. В рамках теории оболочек разработана математическая модель для определения компонентов тензора технологических остаточных напряжений с учетом двумерного распределения несовместных остаточных деформаций, локализированных возле шва и структурно-фазовых изменений в зоне термического влияния. Модель базируется на решении обратных задач теории оболочек с остаточными деформациями и использовании экспериментальной информации об усредненных характеристиках напряженного состояния, которую можна получить физическими методами. Получены выражения для окружных и осевых напряжений в трубопроводе с учетом локальных остаточных деформаций в зоне сварного шва, распределение которых аппроксимировано тензорными полиномиальными функциями с определенным количеством произвольных параметров. На основании решения прямой задачи проанализировано влияние ширины зоны сварочных деформаций и их градиентов вдоль и по толщине трубы на напряженное состояние в зоне сварного соединения. Установлено, что увеличение перепада окружных деформаций по толщине трубы обусловливает незначительное увеличение окружных напряжений на ее внешней поверхности и приводит к существенному уменьшению растягивающих окружных и осевых напряжений на внутренней и сжимающих на внешней поверхностях трубы. С увеличением окружных остаточных деформаций и их градиентов вдоль трубы максимальные растягивающие окружные напряжения и осевые напряжения - на ее внутренней поверхности возрастают почти пропорционально приращениям максимальных деформаций. Уменьшение ширины зоны осевых деформаций, при фиксированной ширине зоны окружных, несущественно влияет на величину и распределение окружных остаточных напряжений на поверхностях трубы и может обусловить значительное возростание осевых напряжений на внутренней поверхности трубы в зоне сварного шва. Для определения неизвестных параметров построен функционал, выражающий сумму квадратов отклонений усредненных величин разности окружных и осевых напряжений, которіе определяют электромагнитным или ультразвуковым методами, от аналогичных величин, полученных расчетным способом. Электромагнитным методом, с использованием измерительного прибора ’’MESTR-411” с четырехполюсным электромагнитным преобразователем трансформаторного типа, определены значения усредненной разности главных напряжений на поверхности трубы в зоне кольцевого сварного шва магистрального газопровода (0 1420 х 22,5 мм, материал Х70). Приведены соотношения для аналогичных усредненных характеристик, полученных расчетным способом и построен соответствующий функционал, с помощью которого найдены неизвестные параметры, а затем рассчитаны кольцевые и осевые остаточные напряжения на внешней и внутренней поверхностях трубы в зоне сварного шва. С использованием математической модели закрытия трещины и концепции эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений разработана расчетная модель для учета влияния остаточных напряжений на скорость распространения осевой поверхностной трещины в трубе в зоне сварного соединения при циклическом нагружении. Определены характеристики циклической трещиностойкости сварного соединения. Оценено влияние остоточных напряжений на долговечность трубопровода с осевой полуэллиптической трещиной в зоне сварного шва под воздействием пульсирующего внутреннего давления.

The dissertation develops calculation-experimental method of determining residual stresses in zone of multi-layer circumferential welding beads of pipelines and estimation of their influences on the durability of welding joints with cracks under cyclic loads. Within the shell theory, a mathematic model for determining components of stress state with taking into account the two-dimensional plastic deformation distribution localized near the welding bead and structural-phases changes in the thermal influence zone is created. The model is based on solving inverse problems of shell theory with own stresses on using experimental information obtained by non-distructive method. Having used crack closure mathematical model and the concept of effective amplitude of stress intensity factor, a calculational model for taking into account the influence of residual stresses on fatigue fracture under cyclic load is obtained. The influence of residual stresses on welding joint durability of a pipeline with an axial surface defect under workload is estimated.