Приложение Д (рекомендуемое). Анализ стабильности трещин

Приложение Д
(рекомендуемое)

Анализ стабильности трещин

Д.1 Методы расчета

Д.1.1 Для анализа стабильности постулируемых поверхностных и сквозных трещин и определения их предельных размеров применяют различные методы механики разрушения, разделенные на два уровня по мере возрастания сложности проведения таких расчетов:

а) Инженерные методы анализа локальной и общей пластической нестабильности сечения трубы с трещиной (коллапс нетто-сечения), использующие только прочностные характеристики материала:

1) расчет по методу ППН;

2) расчет по методу ЛРН;

б) Методы упругопластической механики разрушения, основанные на прямом вычислении или расчетной оценке упругопластического J/T-интеграла с использованием J_R-кривых и истинных диаграмм деформирования материала при одноосном растяжении, позволяющих учесть стабильный докритический подрост трещины:

1) J/T-анализы с использованием прямого 3D МКЭ-расчета;

2) Методы оценки J-интеграла.

Д.1.2 Второй уровень анализа, как более точный, следует применять в случае, если по результатам первого уровня анализа не удалось подтвердить необходимые коэффициенты запаса.

Выбор уровня анализа и метода расчета определяется также наличием или отсутствием всех необходимых данных по свойствам материалов, аттестованных или верифицированных программных средств.

Д.1.3 С целью определения наименьших размеров постулируемых трещин в контрольных зонах следует учитывать основные требования, предъявляемые к расчетам:

- при любом уровне анализа стабильности трещины используется МРН - наиболее неблагоприятная комбинация нагрузок в режиме НУЭ+МПН в соответствии с В.2.4-В.2.7 в сочетании с нижними огибающими свойствами материалов сварного соединения;

- для однородных сварных соединений используют прочностные свойства основного металла, даже в случае, когда трещина постулируется в сварном шве (консервативно), и нижняя огибающая J_R-кривой и наименьшая вязкость разрушения по сварному соединению (основной металл, металл шва, околошовная зона);

- при использовании методов первого уровня не учитывают самоуравновешенные местные напряжения, включая остаточные;

- для плакированных изнутри труб не учитывают толщину наплавки.

Д.2 Инженерные методы

Д.2.1 Общие требования

Д.2.1.1 К первому уровню анализа стабильности трещин относится группа верифицированных инженерных методов механики разрушения, которая может быть применена только для трубопроводов, изготовленных из сталей, обладающих высоким сопротивлением хрупкому разрушению и находящихся в вязком состоянии при расчетной температуре (величина КСV не менее 80 Дж/см² в исходном состоянии и/или не менее 60 Дж/см² на конец срока оценки).

Д.2.1.2 Инженерные методы расчета не требуют получения и описания диаграмм деформирования и J_R-кривых, достаточно располагать фактическими или проектными данными по таким характеристикам, как предел текучести R_р0.2 и предел прочности R_m.

Д.2.1.3 При расчете предельного состояния трубы с постулируемой трещиной в качестве расчетной характеристики материала используется характеристика пластической нестабильности (или напряжение течения) материала , определяемая как величина между R_р0.2 и R_m при расчетной температуре (R_р0.2   R_m).

Величина зависит от типа материала, метода расчета, ориентации трещины: поперечная (кольцевая) или продольная (осевая).

Д.2.1.4 Данные методы расчета предельных состояний используют только "первичные" мембранные и изгибные напряжения и не используют "вторичные" самоуравновешенные напряжения [см. В.2.9 (приложение В)].

Компоненты растягивающих напряжений, нормальные поперечному сечению трубы с трещиной, определяют из комбинации напряжений и , к которым следует добавить напряжение компенсации от теплого расширения трубопроводов (в запас).

Д.2.2 Прямая труба с кольцевой трещиной

Д.2.2.1 Расчет выполняется для трубы с кольцевой сквозной (см. рисунок 1) или поверхностной трещиной (см. рисунок Д.1), подверженной комбинированному нагружению растягивающим усилием N_z и изгибающим моментом М_b. Общее мембранное напряжение и напряжение изгиба , действующее в осевом направлении по нормали к плоскости ослабленного сечения с трещины, рассчитывают по формулам

,

(Д.1)

,

(Д.2)

где F - площадь поперечного сечения трубы без трещины;

W_M - модуль сопротивления изгибу поперечного сечения трубы.

При расчете силы N_z и изгибающего момента М_b используется комбинация нагрузок от давления, веса и температурной нагрузки.

Д.2.2.2 Расчет ППН по методу МР-125

Предельный размер сквозной трещины определяется по условию наступления общей пластической нестабильности сечения трубы с трещиной (коллапс нетто-сечения на рисунке Д.1а), поверхностной трещины - по условию наступления локальной пластической нестабильности перемычки между поверхностным дефектом и наружной поверхностью трубы из следующих уравнений:

- общая пластическая нестабильность:

,

(Д.3)

;

(Д.4)

- локальная нестабильность (разрыв перемычки):

,

(Д.5)

,

(Д.6)

,

(Д.7)

,

(Д.8)

где a - глубина трещины;

t - толщина стенки;

R - средний радиус трубы;

- угол, характеризующий положение нейтральной оси.

Напряжение течения принимают равным .

Д.2.2.3 Расчет ЛРН по методу KWU

Согласно концепции ЛРН предполагается, что вязкое разрушение трубы с кольцевой поверхностной или сквозной трещиной, характеризующейся угловым размером и глубиной а, происходит локально (рисунок Д.1б) при следующем условии:

.

(Д.9)

Здесь коэффициенты k_а и k_b для растягивающих и изгибных напряжений соответственно представляются в виде зависимостей от размеров трещины и геометрии ослабленного сечения:

,

(Д.10)

,

(Д.11)

где ;

f = a/t - относительная глубина поверхностной трещины;

 = 0 для точки А на рисунке В.1 (распространение трещины в направлении толщины) для расчета локальной нестабильности;

для точки В на рисунке В.1 (распространение трещины в окружном направлении) для расчета глобальной нестабильности;

- угловой размер трещины длиной 2с ( = c/R).

Область применения уравнений (Д.3) - (Д.8):

- и при комбинированном нагружении;

- при  = 0 или при  = 0.

а - концепция ППН	б - концепция ЛРН

Рисунок Д.1 - Предельное состояние сечения трубы с окружной трещиной

Д.2.3 Прямая труба с осевой трещиной

Д.2.3.1 При нагружении прямой трубы с осевой трещиной внутренним давлением р (см. рисунки 1-3), мембранное напряжение есть окружное напряжение, действующее по нормали к плоскости трещины:

,

(Д.12)

где R_i - внутренний радиус трубы;

t - толщина стенки.

Д.2.3.2 Предельную длину продольной сквозной трещины 2с или поверхностной трещины (размерами а, 2с) рассчитывают с использованием методов теории пластической нестабильности по следующим уравнениям:

а) Метод BMI расчета глобальной нестабильности

,

(Д.13)

где

М = M_t для сквозной трещины, где M_t определяют по формуле

,

(Д.14)

М = М_р для поверхностной трещины, где М_р определяют по формуле

,

(Д.15)

где а - глубина трещины;

R - средний радиус трубы.

б) Метод МР-125 расчета глобальной и локальной нестабильности

,

(Д.16)

где для углеродистых и аустенитных сталей (в запас);

- глобальная нестабильность сквозной трещины:

и - при расчете глобальной нестабильности сквозной трещины;

и - при расчете глобальной нестабильности поверхностной трещины;

и , где - при расчете локальной нестабильности поверхностной трещины;

в) Метод МРА расчета глобальной и локальной нестабильности, учитывающий величину ударной вязкости KCV при расчете:

1) глобальной нестабильности сквозной трещины:

;

(Д.17)

2) локальной нестабильности поверхностной трещины:

,

(Д.18)

где ;

Е - модуль упругости материала;

C_V - ударная вязкость KCV по Шарпи, Дж/см²;

М_р и M_t - параметры формы трещины определены в Д.2.3.2.

Д.2.4 Отвод гнутый с продольной трещиной

Д.2.4.1 Для отводов гнутых и сварных колен со сквозной продольной трещиной по внутреннему или наружному обводу (радиусу колена) предельные длины трещин рассчитывают по формулам:

,

(Д.19)

,

(Д.20)

,

(Д.21)

.

(Д.22)

Область применимости * < 6,2. Практическое ограничение 2с < D для трещины вдоль внутреннего обвода (радиуса) и 2c < 2D для трещины вдоль наружного обвода (радиуса), где наружный D - диаметр колена.

Здесь окружное напряжение определяется как среднее по толщине стенки мембранное напряжение в центральной части колена от действия давления и изгибающих моментов.

Д.2.4.2 При невыполнении условий применимости данных уравнений следует использовать уравнения для прямой трубы (см. Д.2.3.2), которые могут быть также использованы для расчета сквозной трещины, расположенной на боковой части колена и расчета поверхностных трещин.

Более точный анализ предполагает расчет напряжений с использованием 3D-МКЭ-расчета с определением J-интеграла.

Д.3 Метод J/T-интеграла

Д.3.1 Вторая группа методов упругопластической механики разрушения, основанная на расчете J/T-интеграла с использованием истинных диаграмм деформирования материала и J_R-кривых, позволяет наиболее точно выполнить расчет стабильности постулируемых трещин с учетом устойчивого докритического подроста трещины.

Д.3.2 Для расчета упругопластического J/T-интеграла используют численные методы на основе прямых 3D-МКЭ-расчетов.

Расчет J-интеграла для прямых труб с трещинами при различных видах нагружения может быть также выполнен с использованием разработанных весовых функций для различных диаграмм деформирования материала, представленных в справочной литературе, а также с использованием аналитических методов.

Д.3.3 Анализ ста