BADANIA Z ZAKRESU MECHANIKI PĘKANIA 1. Odporność na pękanie wyznaczona metodą CTOD

Badania odporności na pękanie metodą wielokrotnej próbki dla oceny COD w momencie inicjacji i stabilnego rozwoju szczeliny, przeprowadzono zgodnie z zaleceniami normy BS 5762:1979. Pomiary wykonano przy użyciu systemu do badań wytrzymałościowych Instron 8501, stosując firmowe oprogramowanie przeznaczone do badań metodami mechaniki pękania. Zastosowano próbki typu belkowego o wysokości W=16mm, grubości B=8mm i długości L=70mm. Stosunek łącznej długości karbu mechanicznego i zmęczeniowego "a" do wysokości próbki "W" wynosił: a/W = 0,48. Próbki obciążano kolejno do różnych wartości siły, rejestrując wykresy w układzie siła-rozwarcie ekstensometru, następnie poprzez obróbkę cieplną barwiono pęknięcie i po dołamaniu mierzono rzeczywistą długość szczeliny zmęczeniowej oraz stabilny przyrost długości pęknięcia Aa.

Rozwarcie szczeliny 8 ^m obliczano dla każdego punktu pomiarowego ze wzoru:

s

_

[

-

1 , M[W-a]V

0,4W + 0,6a + z

2R^{0 2}E (1)

gdzie: W a RcE vV zK

m

wysokość próbki,

całkowita długość szczeliny, umowna granica plastyczności, moduł Younga,

współczynnik Poissona,

przemieszczenie końcówek ekstensometru,

odległość końcówek ekstensometru od powierzchni próbki, współczynnik intensywności naprężeń określony wzorem:

Pm

BW^{0.5 (2)}

gdzie: P^m - siła odpowiadająca przemieszczeniu końcówek ekstensometru V^m, B - grubość próbki,

f(a/W) - wartość współczynnika korekcyjnego dla trójpunktowego zginania przy rozstawie podpór 2L=4W.

Na podstawie wyliczonych wartości 8^m oraz zmierzonych wielkości Aa, sporządzono wykres w układzie 5^m - Aa (rys.5), wyznaczając krytyczne rozwarcie szczeliny 5^C. Pomiary na próbkach pobranych z materiału rodzimego wykonano w temperaturze otoczenia oraz w temperaturach ujemnych: -10 i -20°C, natomiast dla materiału ze strefy wpływu ciepła szwu w temperaturze otoczenia.

no _

0,8 •

?

0,7-" o , 6 •

| 0 , 5 . 3 0,4

-i"-

£ 0,2 • 0,1 •

c

•

_ ^ -" '

^ ^

• — MR +20 C (142MPam^A1/2) MR -10 C (141MPamA1/2) MR -20 C (157MPam"1/2)

*C SWC+20 C (140MPam1/2)

) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Stabilny przyrost długości pęknięcia a [mm]

Rys.5. Rozwarcie szczeliny 8^m w funkcji stabilnego przyrostu długości pęknięcia Aa Graniczny współczynnik intensywności naprężeń K^Ic wyznaczano ze wzoru:

(3)

Krytyczne wartości rozwarcia szczeliny 5^C oraz graniczne współczynniki intensywności naprężeń K^Ic określone dla badanej stali X56 podano w tabeli 1.

Tabela 1. Krytyczne wartości rozwarcia szczeliny oraz graniczne współczynniki intensywności naprężeń K^Ic dla badanej stali X56

Materiał

4.2. Prędkość wzrostu pęknięcia zmęczeniowego przy stałej amplitudzie obciążenia

Pomiary wzrostu pęknięcia zmęczeniowego przy stałej amplitudzie obciążenia prowadzono na próbkach typu belkowego o wymiarach (8xl6x70)mm, przy użyciu systemu do badań wytrzymałościowych Instron 8501. Posiadane oprogramowanie i oprzyrządowanie umożliwia precyzyjny pomiar wzrostu pęknięcia zmęczeniowego. Na rys.6 pokazano wykres zależności da/dN(AK), gdzie: da/dN - prędkość wzrostu pęknięcia zmęczeniowego, AK - amplituda intensywności naprężeń.

Rys.6. Szybkość propagacji szczeliny zmęczeniowej

Wyniki pomiarów opracowano zgodnie z zaleceniami normy PN-84/H-04333, wyznaczając metodą regresji liniowej zależność:

(4)

gdzie: C i m - parametry stałe równania.

Wyznaczone parametry stałe oraz współczynniki korelacji R dla wyliczonych równań dla badanej stali X56 podano w tabeli 2.

Tabela 2. Para metry stałe równań opisujących prędkość wzrostu pęknięcia zmęczeniowego przy stałej amplitudzie obciążeń

Materiał

Materiał rodzimy

Strefa wpływu ciepła

Temperatura pomiaru

+20 -10 -20 +20

m

2,65928 2,34011 3,22346 4,03500

C

3,01 10"⁸ 3,20 10"⁸ 1,40 10"⁹ 1,02 10"¹⁰

R

0,9816 0,9795 0,9861 0,9866

5. WNIOSKI

Projekty norm prEN 288-9 i prEN 10208-2 zbyt ogólnie określają sposób pobrania i wykonania próbek do pomiarów CTOD w odróżnieniu do normy BS 4515, która określa to bardzo precyzyjnie. Norma BS 4515 zawiera również charakterystyki określające minimalne wymagane wskaźniki CTOD dla rur o różnych średnicach zewnętrznych i grubościach ścianek. Wydaje się, że celowe byłoby korzystanie z niej podczas projektowania i budowy rurociągów przesyłowych gazu w warunkach krajowych.

Odporność na pękanie materiału rodzimego rury w temperaturze pokojowej wyznaczona metodą CTOD, spełnia wymagania normy BS 4515 (p.37, fig. 13[10]), rys.7. Pomiary w temperaturze pokojowej oraz w temperaturach obniżonych -10 i -20°C wykazały, że stal X56 nie wskazuje istotnych zmian odporności na pękanie w zależności od temperatury.

Prędkości wzrostu pęknięcia zmęczeniowego przy stałej amplitudzie obciążenia w materiale rodzimym dla obszaru obejmującego stabilny rozwój szczeliny zmęczeniowej są porównywalne w badanym zakresie temperatur od -20 do +20°C.

Wyznaczone wskaźniki z zakresu mechaniki pękania dla materiału obejmującego strefę wpływu ciepła potwierdzają poprawność wykonanego złącza spawanego.

Badania stanu zerowego materiałów dostarczanych przez producenta rur, zalecane przez prEN 1594, pozwalają inwestorowi weryfikować nie tylko przydatność oferowanej stali dla budowanego rurociągu, lecz również kontrolować własności w poszczególnych partii rur dostarczanych na teren budowy. Badania kontrolne, po określeniu i przyjęciu jednakowego zakresu dla każdej partii dostarczanych rur, mogłyby stanowić podstawę do stworzenia materiałowej bazy danych pomocnej przy badaniach diagnostycznych w okresie eksploatacji rurociągu.

250 312.5 375 437.5

Yield stresslN/mm*)

Rys. 7. Minimalne wartości 6^m dla rur o średnicach 700 -*• 799 mm w zależności od granicy plastyczności materiału i grubości ścianki [11]

Literatura 1.

3.

4.

6.5.

7.

8.

9.10.

11.12.

Wiśniewski G: Nowa norma europejska dla rurociągów przesyłowych gazu (prEN 1594 -rurociągi przesyłowe gazu), III Seminarium naukowo-techniczne nt: Badania Materiałowe na Potrzeby Elektrowni i Przemyski Energetycznego, Zakopane 19-21 czerwca 1996, Raport IEA - 22/A.

Wiśniewski G.: Ewolucja norm i przepisów europejskich w zakresie budowy rurociągów dalekosiężnych, IV Seminarium naukowo-techniczne nt. Badania Materiałowe na Potrzeby Elektrowni i Przemysłu Energetycznego, Zakopane 18-20 czerwca 1997 Raport IEA - 26/A.

INVESTGAS Sprawozdanie LBM IE A, Otwock-Świerk 1997.

Wasiak J., Biłous W., Hajewska E., Szteke W., Wagner T.: Badania odporności na pękanie stali przeznaczonej na rurociągi gazowe, III Seminarium naukowo-techniczne nt. Badania Materiałowe na Potrzeby Elektrowni i Przemysłu Energetycznego, Zakopane

19-21 czerwca 1996, Raport IEA - 22/A.

Sprawozdanie LBM, Annual Raport IEA, Otwock-Świerk 1997 API5L

prEN 1594 prEN 10208-2 prEN 288-9 BS 5762:1979 BS 4515:1984 PN-84/H-04333

WYTĘŻENIE RUROCIĄGÓW ENERGETYCZNYCH