книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

А.П. ГУСЕНКОВ , П. И.КОТОВ

МАЛОЦИКЛОВАЯ

УСТАЛОСТЬ

при неизотермическом нагружении

МОСКВА « МАШИНОСТРОЕНИЕ » 1983

ВВЕДЕНИЕ

Проблема малоцикловой усталости элементов машин и конст­ рукций, возникшая в связи с интенсификацией эксплуатации изде­ лий в условиях высокой термомеханической нагруженности при квазистационарном характере повторных статических силовых и температурных воздействий, развивается применительно к задачам оценки прочности и долговечности на базе деформационной трак­ товки критериев разрушения,

В книге систематизированы результаты исследований, обосно­ вывающие применение так называемых деформационно-кинетиче­ ских критериев прочности при малоцикловом нагружении. Эти кри­ терии охватывают все основные особенности процесса деформиро­ вания и характера разрушения при повторных статических нагру­ жениях.

Типичным для малоцикловых процессов является появление в ряде случаев в зоне возможного разрушения наряду с циклически­ ми и односторонне накопленных деформаций. Последнее может при­ вести к разрушениям квазистатического характера, т. е. к разру­ шениям, свойственным однократному статическому нагружению.

Основным в эксплуатационных условиях, однако, является ус­ талостный или смешанный тип разрушения, когда достижение пре­ дельного по условиям прочности состояния не сопровождается на­ коплением односторонних деформаций или их величина составляет только некоторую долю от значений, получающихся при квазистатическом малоцикловом разрушении.

Названные особенности малоцикловых разрушений делают не­ обходимым при оценке прочности учитывать изменение в зоне раз­ рушения как циклических, так и односторонне накопленных во вре­ мени и по числу циклов нагружения деформаций.

Учет изменения механических свойств конструкционных мате­ риалов в процессе эксплуатации изделий является еще одним су­ щественным элементом при оценке малоцикловой прочности. Из­ менение механических свойств материалов происходит в связи с режимом нагружения и действием в общем случае температурно­ временных факторов. Как правило, при высокотемпературном уп­ ругопластическом нагружении конструкционный материал со вре­ менем охрупчивается, его деформационная способность снижается,

3

характеристики сопротивления малоцикловому разрушению ухуд­ шаются.

В соответствии с деформационно-кинетическими критериями малоцикловой прочности достижение предельного состояния опре­ деляется суммой усталостного и квазистатического повреждений, критическое значение которых принимается равным единице. Оцен­ ка накопленных квазис.татических и усталостных повреждений про­ изводится на основе линейного закона суммироваЕшя.

Базовыми при расчете повреждений являются кривая малоцик­ ловой усталости, получаемая в испытаниях с заданными предель­ ными циклическими деформациями, и пластичность (деформацион­ ная способность) конструкционного материала. Причем базо­ вые характеристики должны быть определены с учетом особен­ ностей протекания режима нагружения и типа напряженного со­ стояния рассчитываемого на прочность конструктивного элемента. Расчет ведется по моменту образования макротрещины.

Важным является то обстоятельство, что деформационно-кине­ тические критерии малоцикловой прочности оказываются примени­ мыми при нормальной, повышенных и высоких температурах, в том числе и в условиях неизотермического нагружения. При этом, ес­ тественно, необходимо использование корректно полученных базо­ вых данных.

Типично, что неучет кинетики деформаций и механических свойств материалов, а также доли квазистатического повреждения в зоне разрушения конструктивных элементов дает существенные отклонения от критического значения повреждения, равного едини­ це, Оцениваемые в таких условиях повреждения могут отличаться от единицы в большую и меньшую сторону до десяти раз, а в не­ которых случаях и более.

В связи с температурно-временными эффектами различают ма­ лоцикловую и длительную малоцикловую усталость. В последнем случае становятся значительными ползучесть, релаксация, непо­ стоянство механических свойств конструкционных материалов и другие особенности высокотемпературного нагружения, реализу­ ющиеся с течением времени.

Явления малоцикловой усталости могут быть обусловлены внешними механическими воздействиями (давление, нагрузка и т. д.) или термическими эффектами вследствие появления темпе­ ратурных градиентов, различия физико-механических свойств ма­ териалов и т. д. при повторном изменении режимов работы обору­ дования. Малоцикловые разрушения, когда процесс формирования предельных повреждений определяется в основном действием цик­ лических температурных напряжений, называют разрушениями от термической малоцикловой усталости. Это частный случай неизо­ термического малоциклового разрушения, которое может возникать в результате как механического неизотермического, так и термоуста­ лостного малоциклового нагружения.

Простотой проведения термоусталостных испытаний и близостью в отдельных случаях реализующегося в них режима нагружения и

4

Г л а в а 1

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАГРУЖЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН

ИКОНСТРУКЦИИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВОМ

ИСИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

1.1.Характеристика режимов работы и повреждаемость элементов машин и конструкций

Технический прогресс в современном машиностроении связан с увеличением значений рабочих параметров машин и агрегатов (уровня рабочих температур, единичных мощностей, скоростей тех­ нологических процессов и др.) при существенной эксплуатационной нестационарности тепловых и силовых режимов эксплуатации. На­ ряду с этим актуальными становятся задачи по повышению на­ дежности, увеличению ресурса и снижению металлоемкости эле­ ментов машин и конструкций.

С ростом времени эксплуатации и удельных рабочих параметров изделий и агрегатов увеличивается доля отказов, связанных с пов­ торностью и цикличностью нагружения механическими и термиче­ скими нагрузками, работой в условиях переходных и форсирован­ ных эксплуатационных режимов.

Такое нагружение характерно для конструкций энергетическо­ го, транспортного и химического машиностроения, авиации, ракет­ ной техники, реакторостроения в связи с интенсификацией техно­ логических процессов.

Для разработки методов расчета и прогнозирования прочности конструктивных элементов в условиях нестационарных тепловых и механических нагрузок большое значение имеет исследование их реальной нагруженности и повреждаемости при эксплуатации. Вы­ работка ресурса изделий определяется, как правило, рабочими про­ цессами. Существенным фактором, определяющим формирование необратимых изменений в материале детали, является температу­ ра (режим ее изменения).

Для большинства машин и конструкций в связи с повторя­ емостью нагружения с относительно большими неупругими дефор­ мациями (около 0,5... 1 %) при ограниченном числе циклов (до 104) развиваются длительное статическое и усталостное повреждения. Поэтому задача прогнозирования прочности и ресурса элементов таких машин и конструкций предопределяет необходимость иссле­ дования процессов малоциклового деформирования с анализом на­ копления как длительных статических, так и малоцикловых уста­ лостных повреждений в их взаимодействии. Традиционные методы расчета статической и длительной статической прочности, основан­ ные на оценке номинальных напряжений, оказываются недостаточ-

6

ными. С увеличением ресурса изделий и времени их работы на не­ стационарных режимах становятся частыми отказы элементов ма­ шин и конструкций [59, 60, 75, 82, 99, 100, 109] вследствие исчерпа­ ния ресурса в зонах максимальной напряженности (рис. 1.1).

Например, в результате неизотермической малоцикловой усталости происхо­ дили разрушения барабанов котлов в зоне водовпускных отверстий, стопорных клапанов турбин, сварных соединений на коллекторах и трубопроводах, коленах труб паропроводов. Наработка на отказ таких деталей составляет от нескольких

Рис, 1.1. Рост числа эксплуатационных повреждений п конструктивных элементов в зависимости от числа N-j [пусков-остановов (а, б)] и времени эксплуата­ ции (в):

а —змеевик конвективного пароперегревателя котла [82]; б — детали проточной части авиа­ двигателя [29, 59]; / — жаровая труба; 2 — сопловая лопатка; в — диск осевого компрессора авиадвигателя (Т-=50 ... 250°; аа =2,4)

тысяч до нескольких десятков тысяч часов, что обычно соответствует десяткам — сотням пусков установки [32, 33, 82, 109]. Число повреждений (см. рис. 1.1, а) быстро прогрессирует со временем эксплуатации, что приводит к длительным простоям мощных энергоблоков.

Характерно, что малоцикловые повреждения развиваются, как правило, в зонах концентрации напряжений (рис. 1.2): около отвер­ стий, в вершине углового шва, в замковом соединении и отверстий дисков турбомашин [5, 100]. В типичных зонах концентрации на­ пряжений при допускаемых современными методами расчета на прочность номинальных напряжениях развиваются значительные местные упругие и необратимые деформации. Сочетание механиче­ ского и интенсивного теплового нагружений (Т= 200... 1000°С) при­ водит к образованию трещин. При интенсивном тепловом воздей­ ствии малоцикловые разрушения имеют вид сетки термоусталост­ ных трещин, например, в элементах проточной части авиадвигате­ ля (рабочие и сопловые лопатки, камеры сгорания, элементы фор­ сажной камеры и др.) [10, 75, 100], в элементах конструкций тепло­ вой энергетики [109, 112] и технологическом оборудовании [99, ПО].

7

Существенным фактором в формировании малоцикловых по­ вреждений является характер эксплуатационных режимов (сочета­ ние теплового и механического воздействий) агрегатов и изделий.

Рис. 1.2. Характерные пов­ реждения при малоцикловом неизотермическом нагруже­ нии в элементах конструк­ ций:

рабан с диском компрессора ГТД; с — пуансон для прошивки отверстий (Г=850<’С; Лг=300)

Рис. 1.3. Типичные режимы изменения мощности судового двигателя (а) при эксплуатации [75], двигателя транс­ портного самолета (б) при ускорен­ ных испытаниях [59] и изменение тем­ пературы (в) внутренней поверхности ЦВД паровой турбины [74] на харак­ терных режимах испытания: холостой ход (/), нагружение (II), стационар­ ный режим (III), принудительное (IV) и естественное (У) охлаждение, тол­

чок роторов (/), отключение турбогенератора от сети (2, 3), сброс нагрузки (4), А, Б, В, Г — пуск турбины соответственно после 24 ч простоя, 24 ч простоя с прогревом фланцев, после 16 и 8 ч простоя

Развитие современного машиностроения сопровождается, с одной стороны, увеличением максимальных рабочих температур, с дру­ гой — ростом доли нестационарных режимов нагружения агрегата.

В качестве примера на рис. 1.3, а, б приведены типичные гра­ фики изменения мощности газотурбинных установок в режиме экс­

8

плуатации и испытаний. Указанные агрегаты, в основу работы ко­ торых положен один и тот же принцип преобразования энергии, работают в разных условиях эксплуатации. Газотурбинный авиа­ ционный двигатель (рис. 1.3, б) отличается существенно большей маневренностью, наличием большого числа максимальных (по мощности) режимов работы в эксплуатации, чем судовая газотур­ бинная установка (рис. 1.3, а). В то же время длительность харак­ терного периода работы судового газотурбинного двигателя в 3 ра­ за больше, чем авиационного, его эксплуатация проходит в основ­ ном на режимах умеренной мощности.

В характерном периоде эксплуатации обоих агрегатов имеют­ ся нестационарные и стационарные участки, определяющие и поразному формирующие малоцикловые повреждения. При анализе термомеханической нагруженности конструктивных элементов этих изделий следует, по-видимому, учитывать и требования к сниже­ нию массы, особенно для летательных аппаратов.

Режим эксплуатации изделий и агрегатов, как правило, опре­ деляет специфику режимов теплового и механического нагружения соответствующих конструктивных элементов. Для элементов неко­ торых агрегатов тепловой энергетики [33, 39, 109], реакторостроения [25, 85], авиационной техники [13, 99] и технологического оборудова­ ния [75, 100] характерны нестационарность нагружения, чередова­ ние переходных, и стационарных режимов механической и тепловой нагрузки, наличие длительных выдержек при постоянных на­

Другим принципиально отличным примером с точки зрения ско­ рости преобразования тепловой энергии и концентрации тепловых потоков в условиях эксплуатации теплоэнергетического оборудова­ ния являются паровые турбины [74, 89]. Динамика теплового со­ стояния паровой турбины в условиях эксплуатации может быть охарактеризована, например, температурой наиболее напряженной зоны корпуса цилиндра высокого давления (ЦВД) (рис. 1.3, в). С учетом теплового состояния и скорости изменения температуры в этой детали эксплуатационные режимы паровой турбины можно разделить на три группы: со сравнительно медленным (до 10° С/мин) изменением теплового состояния корпуса при пуске (про­ грев трубопроводов, холостой ход, нагружение турбины) и останове (принудительное охлаждение, естественное остывание); с резким (до 15° С/с) изменением температуры при пуске (толчок роторов, прикрытие регулирующих клапанов в процессе нагружения турби­ ны) и останове (аварийный или плановый сброс, увеличение на­ грузки, отключение турбогенератора от сети); стационарный (квазистационарный) с относительно установившимися значениями па­ раметров пара (при частичных и номинальных нагрузках). При этих режимах температура внутренней стенки (см. рис. 1.3, в) изменяется циклически: разогрев до рабочей температуры (около 500°С), выдержка 2...4 ч на стационарном режиме при этой же

9