РД РТМ 26-07-253-83 Арматура трубопроводная. Испытания ускоренные ресурсные. Модели разрушения (с Изменением N 1)

2.2.1. Параметрическая модель описывает состояние арматуры, функционирующей в условиях случайных воздействий, которое характеризуется совокупность* параметров , , …, , принятых в качестве определяющих с точки зрения выполнения изделием своего назначения. Эти параметры рассматриваются как компоненты некоторого вектора в -мерном фазовом пространстве состояний.

________________

* Текст документа соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

2.2.2. Исходя из назначения и физических принципов работы арматуры фазовое пространство состояний делится некоторой поверхностью предельных состояний на область работоспособных состояний и область отказов. При этом параметры состояний являются случайными величинами или функциями с конкретными законами распределения.

2.2.3. Область работоспособного состояния характеризуется координатами предельного состояния , которые в общем виде также являются случайными.

2.2.4. Безотказная работа арматуры для данного случая определяется зависимостью

,

где - допустимые пределы изменения параметров состояния;

- заданное время работоспособного функционирования.

2.2.5. Если известна плотность распределения вектора , т.е. плотность совместного распределения параметров состояния в любой момент времени , то

.

2.2.6. Вероятность безотказной работы по одному параметру состояния определяется как

.

2.2.7. Использование модели, приведенной в п.2.2.5, принципиально возможно, хотя трудоёмкость значительно возрастает с увеличением числа параметров состояния.

2.2.8. Для арматуры, отдельного узла или элемента параметры состояния (давление, расход, частота срабатывания, коэффициенты трения, гидравлического сопротивления и др.) ограничены или взаимосвязаны, поэтому возможно ограничение одним или двумя обобщёнными параметрами, характеризующих всю совокупность свойств и характеристик арматуры (узла).

2.2.9. Для этого случая состояние арматуры (узла) характеризуется одним обобщённым параметром, зависящим от совокупности всех параметров состояний и возмущений.

,

где - различные режимные параметры, влияющие на надёжность;

- конструктивные параметры.

2.3.1. Наиболее распространённой причиной отказов элементов и узлов арматуры (по данным эксплуатационной статистики и экспертного опроса 70% от общего числа) является износ.

2.3.2. Отказом при изнашивании, как одного из видов длительных разрушений, является наступление "предельного состояния", т.е. состояния, при котором дальнейшее использование пары трения невозможно или нерационально.

2.3.3. Наиболее распространёнными признаками предельного состояния трущихся сопряжений, к которым относятся и узлы трения в трубопроводной арматуре, являются:

• достижение определённой величины суммарного износа пары или одного из элементов пары;

• наступление "катастрофического изнашивания", т.е. изнашивания с быстро растущей скоростью процесса;

• недопустимое увеличение вследствие накопления износа, вероятности внезапного отказа и др. (здесь и в дальнейшем рассматривается износ линейный, объёмный или весовой).

2.3.4. В большинстве случаев, признаки предельного состояния так или иначе могут быть связаны с изменением геометрических размеров деталей. В связи с этим наиболее общей моделью отказа следует считать превышение геометрического износа или другого выходного параметра, характеризующего уровень изношенности, некоторой определённой величины.

2.3.5. В общем случае формальный анализ опытных данных по изнашиванию проводится на основе следующих предпосылок:

• изнашивание - непрерывный стохастический процесс, возрастающий и дифференцируемый с вероятностью равной единице;

• износ, накопленный за некоторое время и время достижения определённого износа - обращённые величины;

• процесс изнашивания случаен, каждая отдельная реализация - случайная кривая, однако общие закономерности процесса характеризуются неслучайными функциями времени. Полной характеристикой безотказности объекта является распределение его ресурса, т.е. наработки до предельного износа.

2.3.6. Интенсивность изнашивания при испытании на определённой нагрузке зависит в общем случае от некоторых начальных условий и от того состояния, в которое объект приведён в процессе изнашивания.

2.3.7. Комплекс свойств, характеризующих состояние объекта в момент начала испытаний, представляет собой начальное качество объекта.

2.3.8. Наиболее распространёнными на практике являются:

класс стационарных процессов, когда условия изнашивания по мере увеличения износа пары в среднем не меняются. Для такого процесса характерно постоянство средней скорости изнашивания

и её дисперсии

,

где и - постоянные величины.

процесс с сильным перемешиванием. Для такого класса износ и дисперсия определяются как:

,

где и - коэффициенты, характеризующие начальное качество трущегося сопряжения в предположении постоянства условий испытаний. Вид процесса определяется анализом реализаций (опытных кривых износа).

2.3.9. Интенсивность изнашивания зависит от вида трений, кинематики движения сопряжённых деталей в парах трения, качества рабочих поверхностей, физических свойств материала, условий трения, факторов нагрузки.

2.3.10. Для пар трения трубопроводной арматуры установлены несколько эмпирических моделей отказов, учитывающих влияние ограниченного числа факторов.

2.3.11. Для ходовых резьбовых пар, в случае стационарного монотонного процесса изнашивания, когда основным влияющим параметром на степень износа является геометрия резьбы, модель процесса представляется в виде

,

где - долговечность пары трения;

- диаметр резьбы, мм;

- угол подъёма резьбы, град;

, - .

2.3.12. Для пар трения "шпиндель - втулка резьбовая", в случае, когда основным параметром, влияющим на износ, является удельная нагрузка (в пределах от 100 до 300 кгс/см)

,

где - долговечность пары трения;

- удельная нагрузка;

- .

2.3.13. Для узлов трения, работающих при температурах (от минус 183 до плюс 20 °С).

,

где - долговечность пары трения;

- температура в узле трения, °С;

- .

2.3.14. Общая модель процесса изнашивания, определяющего долговечность резьбовой пары при совместном влиянии геометрических параметров, нагрузки и температуры без учёта наличия смазочного слоя, имеет вид

,

где - долговечность пары трения;

- диаметр резьбы;

- угол подъёма резьбы;

- удельная нагрузка в узле трения;

- температура в узле трения;

- постоянные коэффициенты, определяющиеся эмпирически.

2.4.1. Наиболее общей моделью разрушения нагруженного материала, происходящего вследствие внутренних изменений его свойств, является кинематическая модель прочности

,

где - время от начала приложения нагрузки до разрушения;

- универсальная постоянная Больцмана;

- энергия активации процесса разрушения;

- постоянная, близкая к периоду тепловых колебаний атомов, меняющаяся при термической обработке, легировании, наклёпе

,   ,

где - разрушающее напряжение;

- период собственных колебаний атомов;

- предел текучести.

2.4.2. В соответствии с этой моделью величина деформации материала определяется не только предельным напряжением, но и термохимическими процессами, зависящими от температуры и свойств материала и условий нагружения.

2.4.3. Модель применима для описания процессов разрушения, характерных для деталей и узлов арматуры, находящихся в условиях постоянного воздействия напряжений и температур, например крепёж, прокладки, контактные пары и др.

2.4.4. Для процессов, описываемых данной моделью, характерным является то, что возникновение и развитие дефекта обусловлено разрывом межатомных связей за счёт тепловых флуктуаций и диффузий вакансий к трещинам.

2.4.5. Модель объясняет отказы при высоких напряжениях и сравнительно низких температурах.

2.4.6. Данная модель разрушения положена в основу разработанной ранее методики ускоренных испытаний изделий, работающих при повышенных параметрах, изложенной в РТМ 26-07-222-78* "Испытания ускоренные ресурсные специальной судовой трубопроводной арматуры" (пример использования).

________________

* РТМ 26-07-222-78 отменен без замены. - Примечание изготовителя базы данных.

2.4.7. Модель, описывающая диффузионный механизм разрушения, основанный на росте микротрещин:

,

где - время от момента приложения нагрузки до начала разрушения;

- универсальная постоянная Больцмана;

- температура;

- атомный размер;

- действующее напряжение;

- модуль упругости;

- количество вакансий;

- коэффициент объёмной диффузии.

2.4.8. Модель применима для деталей и узлов арматуры, работающих в области малых напряжений и высоких температур.

2.4.9. Модель описывает процесс, развивающийся медленно на начальном участке, затем скорость его развития быстро увеличивается, приближаясь к скорости звука.

2.4.10. Модель процесса диффузии в зависимости от роста температуры в твёрдых телах

,

где - коэффициент диффузии, характеризующий её скорость;

- частотный множитель;

- энергия активации;

- газовая постоянная;

- абсолютная температура.

2.4.11. Модель применима при наличии априорной информации:

• о доминирующем деградационном процессе диффузии;

• о преимущественном влиянии температуры на скорость протекания деградационного процесса;

• о предельном значении коэффициента диффузии, соответствующем отказу изделия.

2.4.12. Модель процесса распада твёрдых растворов в материалах

,

где - концентрация оставшихся в растворе частиц;

- концентрация примесей на границе зародыша;

- концентрация примесей на достаточно большом удалении от зародыша;

- коэффициент, характеризующий число и объём зародышей;

- коэффициент, характеризующий форму зародыша.

2.4.13. Модель применима при наличии предварительной информации о доминирующем деградационном процессе распада твёрдых растворов в материале, значении коэффициентов, характеризующей процесс, величине критической скорости распада.

2.5.1. Модели усталости описывают процессы постепенного накопления повреждений, приводящие к отказам, и характерные для деталей и узлов арматуры, работающих в условиях переменных напряжений.

2.5.2. Модели усталости отражают связь между пределом усталости материала и различными характеристиками их статистической прочности.

2.5.3. Модели усталости имеют ограниченное применение, обусловленное используемым металлом или деталью.

2.5.4. Зависимость между долговечностью и разностью между разрушающим напряжением и пределом выносливости для данного металла или сплава описывается уравнением Одинга-Вейбулла.

, или

,

где - число циклов до разрушения;

- напряжение, вызывающее разрушение;

- предел усталости;

, - коэффициенты, постоянные для данного металла или сплава.

2.5.5. Для ускоренного определения предела усталости деталей как углеродистых, так и легированных с различной поверхностной обработкой, с наклёпом и без наклёпа используется модель Муратова.

,

где и - накопленное число циклов соответственно при разрушающих напряжениях ;

- предел текучести при растяжении.

Из данной формулы можно получить также выражение для определения величины предела ограниченной долговечности (числа циклов) при любом заданном напряжении в металле при известном и произвольно заданном .

.

2.5.6. Для определения предела усталости при симметричном ассиметричном цикле нагружения применяется модель разрушения, представляющая собой гиперболическое уравнение.

,

где - величина напряжения, при котором произошло разрушение;

- амплитуда напряжений;

- скорость возрастания нагрузки, характеризующая увеличение напряжения за цикл;

- предел усталости;

, - постоянные коэффициенты.

2.5.7. Модель применяется также для оценки чувствительности хрупких материалов к повторно-переменной нагрузке.

2.5.8. Разновидностью модели Муратова является модель процесса разрушения Про-Нэдешана.

,

где - предел усталости;

- напряжение при разрушении;

- скорость разрушения;

- постоянная, определяемая экспериментально.

2.5.9. Метод даёт возможность определять предел усталости по результатам испытания одного образца.

2.5.10. При использовании данной модели скорость нагружения подбирается таким образом, чтобы не проявился эффект упрочнения.

2.5.11. Для ускоренного определения передела усталости для деталей и материалов, имеющих сложную геометрическую форму, применяется модель процесса, основанная на гипотезе энергетического подобия усталостного разрушения и плавления металлов.

,

,

где - критическое число циклов;

- циклическая константа разрушения;

- удельная теплоёмкость;

- абсолютная температура плавления;

- модуль упругости;

- модуль сдвига;

- скрытая теплота плавления;

- удельный вес;

- механический эквивалент теплоты;

- .

2.5.12. Данная модель описывает процессы усталости в предположении, что циклическая константа разрушения , равная разности между критическим напряжением и напряжением предела выносливости, выраженным в касательных напряжениях , и критическое число циклов постоянны для определённого вида металла.

2.6.1. Модели старения описывают естественный процесс необратимого изменения во времени физико-химических свойств материала деталей и узлов арматуры, проявляющийся в виде структурных и релаксационных изменений, распада, окисления, снижения прочности и приводящий к отказу.

2.6.2. Модели старения отражают факторы, влияющие на протекание процесса (температура, напряжение, влажность и пр.) и степень их влияния.

2.6.3. Многообразие влияющих факторов и сложность процессов старения определяет наличие различных моделей, для описания процессов с преобладанием того или иного вида старения.

2.6.4. Для резиновых деталей и уплотнений арматуры, для которых характерно тепловое старение, модель процесса аппроксимируется зависимостью

,

где  - начальный ресурс уплотнений при ;

- ресурс уплотнения при ;

- коэффициент скорости накопления остаточной деформации при увеличении температуры на 10 °К;

- количество ступеней температуры.

2.6.5. Процессы старения, связанные с любыми фазовыми превращениями металлов и сплавов, описываются моделями, базирующимися на кинематических закономерностях.

2.6.6. Общей моделью процесса превращений в твёрдом состоянии является зависимость

,

где - число центров кристаллизации, образующихся в единице объёма за 1 сек;

; - энергия активации перехода атома в новой фазе;

, - константы;

- коэффициент поверхностного натяжения возникающего кристаллического вещества;

- величина переохлаждения.

2.6.7. Для описания процесса старения, чувствительных к изменению температуры, широко применяется модель Аррениуса.

,

где - определяемый параметр (разрушающее напряжение, время старения, изменение концентрации и пр.);

, - константы, характерные для данных материалов и реакций.

2.6.8. Для описания процесса старения полимерных материалов применяется зависимость

,

где - время старения;

; - энергия активации процессов разложения;

- температура;

, - обобщённая характеристика полимера;

- константа, характеризующая состав и структуру полимера.

2.6.9. Процесс старения полимеров в постоянном электрическом поле описывается уравнением

,

где - срок службы до пробоя;

, , - параметры, постоянные для конкретного диэлектрика и условий испытаний;

- температура.

2.7.1. Наиболее распространённой моделью процессов коррозии, применяемой при ускоренных испытаниях на долговечность и сохраняемость в агрессивных средах, является зависимость

или ,

где , , , , , - постоянные коэффициенты;

- температура;

- относительная влажность;

- концентрация агрессивной среды.

2.7.2. Модель применима для описания процессов, протекание которых определяется основными воздействующими факторами: температурой, относительной влажностью, концентрацией агрессивной среды.

2.7.3. Модель описывает процесс коррозии в изделиях, металлах и сплавах, деталях и узлах и их элементах, электрической изоляции, применяемых в них, полимерных материалах.

2.7.4. Для описания процессов коррозии применяется также модель Аррениуса (п.2.6.7), описывающая зависимость скорости химической реакции от величины энергии активации и температуры. Зависимость константы скорости реакции от величины энергии активации и температуры

или .

2.7.5. Модель 2.7.4, характеризующая процесс с быстрым увеличением коррозии при повышении температуры, свойственна простым химическим реакциям при проведении ускоренных коррозионных испытаний.

2.7.6. Для сложных реакций или реакций, на протекание которых влияет скорость физических процессов (например, диффузии или адсорбции), описывается более точно зависимостью

,

где обозначения , , , по п.2.7.4;

- энтропия активации.

2.7.7. Зависимости п.п.2.7.4 и 2.7.5 относятся к реакциям как в газовой фазе, так и в жидких и твёрдых телах.

1.1. В процессе проектирования и создания арматуры ускоренные испытания могут проводиться поэтапно.

1.2. Испытываемые образцы могут быть гладкими или с концентратором напряжений в виде выточки, отверстия и т.п., в зависимости от конструкции элемента арматуры. Они должны пройти штатную для данного элемента механическую и термическую обработку и иметь соответствующие покрытия. Детали, узлы и их модели должны быть изготовлены по штатной технологии.

1.3. Повышенные температуры и агрессивности сред вызывают старение материала, его ползучесть, коррозию и другие явления, снижающие долговечность. Поэтому указанные факторы должны учитываться при проведении ускоренных испытаний на прочность.

1.4. Методика ускоренных испытаний должна учитывать влияние нагрузок, действие которых связано с фактором времени, к ним относятся длительные статические, повторно-статические и вибрационные нагрузки, действующие при высоких температурах совместно с такими явлениями, как старение материалов, коррозия, эрозия и т.п.

1.5. Для обоснования методики ускоренных испытаний должны быть разработаны критерии долговечности и методы их определения.

1.6. Методы ускоренных испытаний, основанные на использовании зависимостей "нагрузка - долговечность" или "нагрузка - время действия", указаны в таблице.

МЕТОДЫ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

1.7. Время испытаний толстостенных корпусов арматуры, работающих при тепловом повторно-статистическом нагружении, можно сократить путём замены термоциклирования гидроциклированием. При указанной замене гидравлическое давление должно быть таким, чтобы максимальные напряжения при термо- и гидроциклировании были близкими по величине. Другим критерием замены термоциклирования гидроциклированием может служить равенство критических длин трещин, при которых конструкция разрушается.

1.8. При многорежимном нагружении ускорить испытания можно путём замены спектра нагрузок эквивалентной повышенной нагрузкой.

Для обеспечения эквивалентности запас прочности должен быть таким же, как общий запас при работе на различных режимах.

1.9. Оценку долговечности по остаточному ресурсу следует производить методом "доламывания". Отработавшие часть ресурса в эксплуатации элементы арматуры или вырезанные из них образцы, испытываются в стендовых условиях тем видом нагрузок, который является определяющим с точки зрения исчерпания их долговечности. По результатам таких испытаний строится зависимость остаточного ресурса от наработки в условиях эксплуатации (в часах или циклах), точка пересечения которой с осью абсцисс определяет долговечность конструкции.

1.10. Наибольшее сокращение времени испытаний достигается в том случае, если одновременно используется несколько ускоряющих воздействий (например, при форсировании по нагрузке и температуре, увеличении асимметрии цикла, повышении агрессивности рабочей среды и т.д.).

Однако в этом случае должно быть известно взаимное влияние друг на друга указанных факторов.

2.1. Основным содержанием работ по созданию методов ускоренных испытаний арматуры на износ следует считать выбор и обоснование применения наиболее рациональных приемов форсированного изнашивания. При этом необходимо исходить из того, что форсирование процесса изнашивания принципиально допустимо только при обеспечении эквивалентного изнашивания, то есть такого, при котором результат изнашивания не зависит от скорости процесса.

2.2. Поскольку износ обуславливает те или иные изменения геометрической формы или размеров рабочей поверхности изделия (возникновение овальности, уменьшение диаметров трущихся втулок, изменение геометрии резьб и пр., изменение геометрии уплотнительных поверхностей и пр.), то при эквивалентном изнашивании геометрическая форма и размеры изношенной рабочей поверхности изделия должны являться функцией только величины показателя, выбранного в качестве меры износа.

2.3. При ускоренных испытаниях изделий на износ с форсированием процесса изнашивания (при соблюдении условий эквивалентного изнашивания) возможны различные сочетания форсированных и нормальных режимов изнашивания. Соответственно этому могут быть реализованы совместно или раздельно два методических подхода к определению износного ресурса узлов трения арматуры.

2.4. В обеспечение реализации приведенных методических положений целесообразно предусмотреть выполнение следующих основных работ.