Оцінювання роботоздатності та довговічності елементів трубопроводів, підданих дії статичних навантажень та корозійних середовищ

У цьому розділі також оцінено вплив обумовлених зварним швом залишкових напружень на інтенсифікацію корозійного руйнування комбінованого зварного з’єднання (рис. 11). 

Для зварених базовим швом півплощин такий розподіл задавався співвідношенням 

 

 , (7)

де k – коефіцієнт, який враховує відхилення залишкових напружень в околі зварного шва від границі текучості внаслідок особливостей матеріалу та вибраного способу зварювання (для низьколегованих та низьковуглецевих сталей k = 1, алюмінієвих й титанових сплавів k  0,6,...,0,8; ніобієвих сплавів k  0,4,...,0,6; деяких легованих термічно зміцнених сталей k > 1 і т.п.); T – границя текучості; b – ділянка впливу залишкових напружень.

Залежно від заданого так поля напружень визначено електричний потенціал в околі базового шва. Зміну електричних потенціалів в середовищі та подвійному електричному шарі подано як розв’язки

 

 , (8)

  (9)

 

відповідних рівнянь вигляду (1), причому невідомі функції від змінної x знаходимо з умов спряження

 

  (10)

 

Для розрахунків характеристик  c та  mс відповідно для середовища та подвійного електричного шару, що приведені в табл. 2,

 

Таблиця 2

Характеристичні величини робочого середовища, що використовували в розрахунках та розраховані на їх основі параметри  c,  mс.

 

було застосовано формули:

 

  (11)

 

Згідно цих даних були проведені відповідні розрахунки. На рис. 12 зображено зміщення електродного потенціалу в околі зварного шва під впливом залишкових напружень для розрахункової схеми сталь 12Х1МФ – шов – сталь Х18Н10Т під час взаємодії з середовищами з різним початковим вмістом іонів %мас NaCl. Як бачимо, у сталі 12Х1МФ, коли заданий розподіл залишкових напружень, потенціал зміщуватиметься суттєвіше, ніж для шва та сталі Х18Н10Т. Тому можна зробити висновок, що сталь Х18Н10Т виконує роль анода, а шов та сталь 12Х1МФ відповідає катоду. 

За отриманими значеннями зміщення електродного потенціалу та експериментальними значеннями питомих поляризаційних опорів розраховано густини струмів, викликані залишковими напруженнями в околі зварного шва. Густини анодного і катодного струмів обчислювали за формулами

 

  (12)

 

Тут  ,   - питомі поляризаційні опори відповідно до анодного та катодного процесів.

У четвертому розділі розглянуто нескінченне металеве тіло з еліптичним отвором, яке розтягується на безмежності зусиллями інтенсивності p. При цьому виникає напружено-деформований стан, що ініціює зміну електричного потенціалу навколо такої порожнини. Відповідну зміну електричних потенціалів визначають рівняння:

 

  (13)

 

Тут рівняння (13), що описують електричні потенціали в металі, середовищі та подвійному електричному шарі, зводяться до рівнянь Матьє, які є складними для розв’язання й не завжди дозволяють отримати аналітичний розв’язок у вигляді, придатному для безпосередніх інженерних розрахунків. Через функції Матьє в наближенні нульового та другого порядків в еліптичній системі координат розв’язок першого рівняння (13), що визначає розподіл електричного потенціалу в металі, має вигляд

 

  

  (14)

 

Тут () – еліптичні координати; c 2 = a 2 – b 2 – параметр еліптичної системи координат,   – радіальні та   – тангенсіальна функції Матьє, q = 1 / 4c 2 2m .

Одержаний розв’язок у граничному випадку, коли a = b, збігається з одержаним раніше для аналогічної задачі з коловим вирізом. За формулою (14) чисельно розраховано електричний потенціал. Результати числових розрахунків для еліптичного отвору та його граничний випадок (еліпс вироджується в коло). 

Як бачимо з рисунка, еліптичний отвір суттєвіше змінює електричний потенціал, ніж коловий, оскільки останній ініціює меншу концентрацію напружень. Отже, еліптичний отвір призводить до більш значних зміщень електричних потенціалів у пружних тілах, порівняно з коловим. Звідси можна зробити висновок, що найнебезпечнішою щодо зміни електричного потенціалу у пружному тілі стає саме тріщина. Кількісно показано, що для еліптичного отвору при a / b = 7 (за такого співвідношення розмірів півосей еліпса у його вершині досягається відносна деформація   = 0,2 % при p = 26 МПа) у зоні найбільшої концентрації напружень виникає електричний потенціал, що в 5 разів більший у випадку такого ж потенціалу для колового отвору радіуса r = a.

Аналіз першого з рівнянь (13) та отриманого розв’язку (14) свідчить, що в металі для оцінки електричного потенціалу достатньо враховувати частковий розв’язок цього рівняння  , так як параметр  , а  . Такого розв’язку не можна отримати для двох наступних з рівнянь (13), оскільки вони однорідні. Тому для спрощення аналітичних викладок, оцінюючи зміщення електродного потенціалу в околі вершини еліптичного отвору, розв’язки для подвійного шару та середовища подавали з використанням умови малозмінності ординати у вздовж зміни абсциси х. Це дозволило побудувати розв’язок рівняння для середовища, що заповнює “витягнуту” уздовж осі Ох порожнину, звівши задачу до одновимірної.

На основі розв’язку для еліптичного отвору встановлено, що у вершині тріщини електричний потенціал   60 мВ (за деформації   =