автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Безопасность механически неоднородных элементов конструкций нефтегазового комплекса

в

УДК 622.692.4

На правах рукописи

и>->

Рябов Игорь Анатольевич

0 6 АВГ 2009

БЕЗОПАСНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИ НЕОДНОРОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2009

003475135

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Гумеров Кабир Мухаметович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Ямалеев Ким Масгутович

- кандидат технических наук, доцент Виноградов Дмитрий Анатольевич

Ведущее предприятие - ЗАО НТЦ «Технология, экспертиза

и надёжность»

Защита диссертации состоится 23 июля 2009 г. в II30 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 23 июня 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

_

Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Задачи, стоящие перед нефтегазовой и нефтехимической отраслями, выдвигают жесткие и противоречивые требования к применяемым техническим устройствам. Они должны сохранять прочность и работоспособность в условиях действия высоких нагрузок, агрессивных сред, высоких и низких температур, обладать достаточной долговечностью в условиях нестационарных режимов. Учитывая, что эти производства связаны с опасными продуктами, а разрушения оборудования или отдельных элементов могут вызвать пожары, взрывы и отравления работающего персонала, а также причинить ущерб окружающей среде, применяемые технические средства должны обеспечивать высокую степень надёжности и безопасности.

Поскольку ни один материал в отдельности не может удовлетворять всем выдвигаемым требованиям одновременно, при изготовлении современного оборудования всё чаще используют различные материалы и их сочетания. Очевидно, что прочность элементов конструкций из разнородных материалов зависит от прочности применяемых материалов и их соединений (стыков). Однако, как оказалось, на прочность оказывают влияние, как минимум, ещё два фактора: соотношение механических характеристик использованных материалов и геометрические особенности самих стыков (форма, размеры, площади контакта, углы, переходы). Эти особенности впервые подробно изучались в связи с необходимостью сварки высокопрочных сталей для изготовления специальных толстостенных аппаратов. Наиболее удачным решением оказалась сварка мягкими электродами, что позволило избежать образования сварочных трещин при остывании швов. При этом за счёт подбора толщины мягкой прослойки удавалось добиться общей прочности на уровне прочности основного металла.

При использовании разных марок сталей, в том числе легированных, стало необходимым учитывать неоднородность соединений по пределу текучести стт и по коэффициенту теплового расширения ат. С расширением ассортимента применяемых материалов, в том числе сплавов цветных металлов и неметаллов (пластмасса, керамика, графит и др.), появилась необходимость учитывать неоднородность элементов конструкций по упругим характеристикам: модулю упругости Е и коэффициенту Пуассона v. Различие материалов по этим свойствам вызывает в некоторых случаях резкую концентрацию напряжений при любых температурах и нагрузках, даже при самых незначительных по сравнению с проектными параметра-

ми. Компенсировать это отрицательное свойство можно попытаться за счёт оптимизации конструктивных форм и размеров соединения. Для реализации этой возможности в полном объёме требуется провести целенаправленные исследования, рассматривая различие материалов и участков соединения по множеству параметров, включая Е, v, ат, ат, о„. Без таких исследований невозможно гарантировать высокую безопасность оборудования, работающего в сложных условиях.

В нефтегазовой и нефтехимической отраслях производства механическая неоднородность встречается часто и в разных видах.

Например, для изготовления некоторых сосудов и аппаратов применяют биметаллы и плакированные листы, в которых материалы слоев отличаются практически всеми вышеуказанными характеристиками. Здесь неоднородность механических свойств условно можно назвать продольной, поскольку основные напряжения направлены вдоль слоев биметалла.

Другой пример - стыковые соединения труб и арматуры из разных марок сталей и сплавов. Здесь значительные напряжения возникают в направлении, перпендикулярном плоскости стыка, поэтому механическую неоднородность можно назвать поперечной.

Дефектные участки трубопроводов, резервуаров и сосудов иногда ремонтируют с применением специальных твердеющих паст на основе клеев и наполнителей (холодная сварка). При этом отремонтированный участок обладает неоднородностью практически по всем показателям.

Для ремонта высоконагруженных магистральных нефтегазопроводов часто применяют композитно-муфтовую технологию (КМТ). После ремонта участок трубопровода становится трёхслойным: внутренний и наружный слои стальные, средний слой - отверждённый композитный состав на основе эпоксидной смолы с наполнителем.

Некоторой неоднородностью обладают практически все сварные соединения труб, аппаратов, конструкций. В них свойства основного металла, зоны термического влияния, металла шва отличаются твердостью, пределами текучести и прочности. Неоднородность химического состава приводит к неоднородности и по другим параметрам.

Несмотря на все усилия по оптимизации, достичь равномерного распределения напряжений удаётся не всегда. Более того, даже в бездефектных соединениях могут образоваться резкие концентраторы напряжений с особенностью типа а —> оо. При длительной эксплуатации оборудования могут образоваться и развиваться трещины, которые являются концентра-

торами напряжений такого же типа. Так появляется потребность оценивать опасность концентраторов напряжений и назначать безопасные режимы и сроки эксплуатации. Для этого необходимо провести исследования закономерностей образования концентраторов напряжений и разработать критерии безопасности с учётом фактора механической неоднородности.

Методы исследования также должны учитывать фактор механической неоднородности. Опираться только на классическую теорию прочности и механику разрушения в данных задачах совершенно недостаточно. Фактор механической неоднородности влияет в некоторых случаях даже на размерность коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Это делает невозможным применение традиционного критерия разрушения, основанного на сравнении КИН с вязкостью разрушения материала К|С.

Вышеперечисленные особенности, связанные с безопасной эксплуатацией оборудования нефтегазового комплекса, с учетом фактора механической неоднородности позволили сформулировать тему диссертации, поставить соответствующие цель и задачи.

Цель работы - совершенствование методической базы обеспечения надёжности и безопасности элементов конструкций нефтегазового комплекса на основе изучения особенностей формирования напряженного состояния и развития разрушения с учётом фактора механической неоднородности.

Основные задачи работы:

1. Изучить особенности напряжённо-деформированного состояния элементов конструкций, обладающих ярко выраженной механической неоднородностью, на примере биметаллических сосудов, эксплуатирующихся в условиях нестационарных термомеханических воздействий;

2. Исследовать особенности развития трещин при разрушении элемента конструкции на примере биметаллического сосуда;

3. Исследовать особенности формирования концентрации напряжений в бездефектных неоднородных элементах конструкций на примере стыковых соединений;

4. Разработать критерии разрушения бездефектных неоднородных элементов конструкций, содержащих концентратор напряжений типа о <»;

5. Разработать методы снижения отрицательного влияния механической неоднородности на надёжность и безопасность элементов конструкций, эксплуатирующихся в условиях нестационарных термомеханических воздействий.

Методы решения поставленных задач

Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых: O.K. Аксентяна, O.A. Бакши, H.H. Блумберга, M.JI. Вильямса, K.M. Гумерова, Дж. Ирвина, H.A. Махутова, С.Е. Михайлова, Е.М. Морозова, Н.И. Мусхелишвили, В.В. Панасюка, В.В. Парцев-ского, П. Париса, Дж. Райса, Дж. Си, Г.П. Черепанова, К.С. Чобаняна, Р.З. Шрона, Ф. Эрдогана и других. В работе широко использованы теоретические и численные методы решения задач о напряжённом состоянии элементов конструкций, положения теории прочности и механики разрушения (MP), результаты испытания специальных образцов.

Научная новизна

1. Исследованы закономерности взаимного влияния слоев биметаллической стенки сосуда при одновременном воздействии внутреннего давления и температурных полей. Закономерности выражены в виде количественных формул для напряжений, в которых в качестве исходных данных участвуют размеры сосуда, термомеханические свойства материалов, параметры режимов эксплуатации.

2. Установлены причины и механизмы термоциклической ползучести стенки сосудов с учетом условий эксплуатации и фактора механической неоднородности. Получены расчётные формулы, позволяющие прогнозировать этот процесс и оценивать ресурс безопасной эксплуатации в условиях термоциклической ползучести.

3. Изучены отличительные особенности формирования концентрации напряжений в окрестности трещин, развивающихся в биметалле. Установлено, что в биметаллах сингулярность поля напряжений типа о —»оо сохраняется, но порядок особенности X и коэффициент интенсивности сильно зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов - вязкости разрушения К)с. По энергетическому критерию переход трещины из мягкого материала в твердый затруднён, в обратном порядке (из твердого в мягкий) облегчен.

4. Установлены особенности напряженного состояния соединений разнородных материалов. Показано, что в зависимости от соотношения упругих свойств материалов и угловых характеристик стыков даже в бездефектных соединениях может образоваться резкая концентрация напряжений с особенностью типа а -> со. Данный концентратор по опасности для конструкции эквивалентен некоторой трещине. Получены выражения

для эквивалентной трещины, которые позволяют применять методы механики разрушения к бездефектным соединениям разнородных материалов.

5. Теоретическими исследованиями и испытаниями образцов показано, что путем оптимизации формы стыков можно избежать появления резкой концентрации напряжений в разнородных соединениях. Этот путь является наиболее эффективным методом обеспечения прочности и безопасности конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств.

На защиту выносятся:

• закономерности влияния фактора механической неоднородности на напряжённо-деформированное состояние, прочность, ресурс и безопасность элементов конструкций на примере биметаллов и стыковых соединений;

• усовершенствованные с учётом фактора механической неоднородности критерии прочности и безопасности элементов конструкций, содержащих резкие концентраторы напряжений типа ст оо;

• методы обеспечения безопасности конструкций с ярко выраженной механической неоднородностью за счёт оптимизации конструктивных форм и размеров, а также за счёт применения новых критериев прочности и методов расчёта безопасных режимов и сроков эксплуатации.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Результаты исследований биметаллических сосудов позволяют на этапе проектирования предусмотреть возможные механизмы преждевременного выхода из строя, принять превентивные меры на этапе эксплуатации - адекватно оценить степень опасности обнаруженных трещин, обосновать остаточный ресурс и назначить соответствующие способы обеспечения безопасности.

2. Результаты исследований стыковых соединений разнородных материалов позволяют на этапе проектирования оптимизировать формы стыков, исключать возможность образования резкой концентрации напряжений, тем самым обеспечивать надёжность и безопасность конструкций.

3. Разработан математический аппарат, позволяющий в зависимости от соотношения механических характеристик использованных материалов определять основные расчётные характеристики концентрации напряжений: порядок особенности X, коэффициент интенсивности напряжений К, интенсивность высвобождаемой энергии во, размер эквивалентной трещины И™. Данные характеристики позволяют на этапе эксплуатации перио-

дически оценивать прочность конструкций с учётом образованного концентратора напряжений, назначать ресурс безопасной эксплуатации.

4. Результаты данной работы использованы при:

- обследовании и оценке безопасных режимов эксплуатации биметаллических сосудов и резервуаров ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» (справка из ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»);

- экспертизе промышленной безопасности проектов на реконструкцию аппаратов нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (справка из AHO РЦ НТО «Башпромбезопасность»);

- оценке безопасности метода ремонта магистральных трубопроводов с использованием композитно-муфтовой технологии (Инструкция по ремонту дефектных мест продуктопроводов широкой фракции легких углеводородов, Уфа - Нижневартовск, 2008.).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-практических конференциях и семинарах по проблемам строительства и безопасной эксплуатации объектов трубопроводного транспорта и нефтехимического производства, в том числе на:

• тематической секции «Роль науки в развитии нефтегазовой отрасли Республики Башкортостан» в рамках научно-практической конференции «Вклад науки Республики Башкортостан в реальный сектор экономики» (Уфа, 2003 г.);

• научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2005, 2008 гг.);

• Всероссийском семинаре-совещании Ростехнадзора «Проблемы промышленной безопасности в системе нефтегазового комплекса трубопроводного транспорта» (Уфа, 2005 г.);

• научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2005, 2008, 2009 гг.);

• IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2008» (Уфа, 2008 г.);

• научно-техническом семинаре «Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2009 г.).

Публикации

По материалам работы опубликовано 12 научных трудов.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 109 наименований. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 15 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУП «ИПТЭР» за помощь и полезные советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна и практическая значимость, приведены основные защищаемые положения.

Первая глава посвящена анализу напряженного состояния и работоспособности бездефектных сосудов из биметалла в условиях нестационарных термомеханических воздействий с учётом фактора механической неоднородности. Рассмотрены случаи, когда слои биметалла отличаются друг от друга термомеханическими свойствами Е, v, а, от (несколькими или всеми параметрами). В расчётной модели приняты идеально-упруго-пластические диаграммы деформирования материалов. Рассмотрены разные режимы нагружения, в том числе:

- действует только давление, и оно изменяется во времени;

- действует только температурное поле, и оно изменяется во времени;

- совместно действуют давление и температурное поле, которые изменяются во времени;

- температурное поле равномерное или с градиентом по толщине стенки сосуда.

Для каждого из рассмотренных случаев получены формулы (графики, таблицы, программы), позволяющие определять максимальные напряжения и деформации, перепады напряжений и деформаций в циклах, строить общие диаграммы деформирования биметалла в целом. Эти данные позволяют определять режимы (давления и температуры), при которых стенка сосуда полностью остается в упругом состоянии, работает в упруго-пластическом режиме (некоторые зоны вступают в пластическое состоя-

ние), полностью вступает в пластическое состояние. Для примера на рисунке 1 показана серия диаграмм деформирования стенки сосуда, соответствующих разным температурам I. Четырёхугольник АВСО в фазовой плоскости 0 - е (нагрузка - деформация) соответствует полностью упругому состоянию сосуда, что обеспечивает максимальную долговечность и безопасность. Ресурс при других режимах работы определяется найденными перепадами деформации по известным формулам малоциклового разрушения.

Рисунок 1 - Диаграммы деформирования биметаллической стенки сосуда при разных температурах I (5], §2 - толщины слоев биметалла)

Интересным оказался случай, когда сосуд из биметалла находится под действием внутреннего давления при неравномерном и циклически изменяющемся температурном поле. Данный случай реализуется, когда температура внутри сосуда (или трубы) существенно отличается от температуры вне сосуда. Теплообменники, аппараты, в которых происходят технологические процессы с выделением или поглощением тепла, относятся к данному случаю. Распределение температуры и напряжений в стенке имеет вид, как показано на рисунке 2, где 1| и 12 - температуры на поверхности стенки со стороны слоев 1 и 2; 1к - температура на плоскости контакта между слоями 1 и 2.

В отличие от сосудов, изготовленных из однородного материала, в биметаллических сосудах возможно циклическое накапливание пластических деформаций (термоциклическая ползучесть) за счёт перераспределе-

ния напряжений с одного слоя на другой и обратно при изменениях температуры. Необратимая пластическая деформация за один цикл соответствует следующим выражениям:

О при <2 < (30 или у < 0;

Ае, = • v при (}0 < (} < С2* и у > 0; оо при (2* < р. где у = |а2 • Д^ - а, • Д^| - (в, + 02) ■ + 8т2 - Р) 5 1 „ 1

(1)

G, =-' е, s,

G, =-

е2 -62

STl = СТт1 • 51 ; St2=CJt2-52

д = Р-Я; (Зо=|5т1-8т2| ; 0*=8т1+812 ; Р - давление в сосуде; К - внутренний радиус сосуда; Д^ , Д^ - перепады средних температур в слоях биметалла; ~ Ау5,+0,5-К+АчН2. ~ _Ау£2 + 0,5-(А1,+А12;К, ,

¡^,=^/6, и £2=к2/52 - теплопроводности слоев биметалла (величины, обратные ^ и £2, - тепловые сопротивления слоев);

к1 и к2 - коэффициенты теплопроводности материалов 1 и 2; Д1, и М2 - перепады температуры на внутренней и наружной поверхностях сосуда соответственно.

Si

Oí

©

8,.

о2

а)

б)

Рисунок 2 - Распределение температуры (а) и напряжений (б) в стенке биметаллического сосуда

Расчёт значения Д£1 имеет практическое значение для оценки долговечности сосуда по критерию потери запаса пластичности.

Проанализированы следующие механизмы разрушения сосуда:

- по механизму потери устойчивости;

- по механизму исчерпания запаса пластичности;

- по механизму усталостного разрушения.

Результирующая долговечность определяется наименьшим из полученных значений. Например, для случая, когда сосуд находится под действием внутреннего рабочего давления и меняющегося во времени температурного поля, работоспособность сосуда можно выразить диаграммой состояния, изображённой на рисунке 3. Координаты точек А, В, Б определяются с использованием выражений (1). В диссертации разработаны алгоритмы и приведены примеры расчётов долговечности сосудов из биметаллов с учётом параметров циклических термомеханических воздействий.

Рисунок 3 - Общий вид диаграммы состояния сосуда из биметалла

Вторая глава посвящена исследованию особенностей развития трещин в биметалле. Рассмотрены наиболее характерные случаи, которые показаны на рисунке 4. Трещина является резким концентратором напряжений и способна приводить к разрушениям при нагрузках, когда материалы ещё находятся в упругом состоянии. Поэтому в расчётных моделях материалы 1 и 2 отличаются упругими характеристиками Е и v (модулем упругости и коэффициентом Пуассона).

Из классической механики разрушения известно, что напряжения в окрестности вершины трещины описываются выражениями типа

о = (2)

где г, ф - полярные координаты вокруг вершины трещины; X - параметр особенности концентрации напряжений; Г(ф) - нормированная функция, описывающая распределение напряжений по полярному углу ф (вокруг трещины); К - коэффициент интенсивности напряжений.

5,

ф / —Lg

®

7

5,

h ®~Т

—HQ

б)

J

Г

5,

h (!)

©

L 1 5, ч

1 - • s2 h ® 1

в).

г)

Рисунок 4 - Расчётные модели биметалла с трещиной

Для обычной трещины (в механически однородном материале) все элементы формулы (2) известны. Параметр особенности X = - 0,5. Значение ЬСИН зависит от размеров детали с трещиной и действующих нагрузок.

Выражение (2) сохраняет силу и для биметаллов, если вершина трещины не находится на границе раздела материалов с разными свойствами (случаи «а» и «в» на рисунке 4). В случаях, когда вершина трещины находится на границе между разными материалами, требуется проведение специальных исследований. Такие исследования с применением хорошо апробированных методов привели к следующим результатам.

Поперечная трещина (случай «б» на рисунке 4)

В данном случае концентрация напряжений описывается также выражением типа (2), но все составные части этого выражения зависят от соотношения механических свойств материалов. Значения параметра X, приведённые в таблице 1, показывают, что при переходе трещины из более твердого материала в мягкий (схема «т—>м») концентрация напряжений выше, чем в других случаях (абсолютное значение параметра X больше, напряжения g растут быстрее при г —» 0).

Функции f(cp) для разных компонентов напряжений для одного из случаев показаны графически на рисунке 5. Видно, что при переходе трещины из твердого материала в мягкий (схема «т —> м ») наблюдаются раз-

рыв компоненты напряжений стг на межфазной поверхности и резкий всплеск на стороне мягкого материала. Это объясняет причину и механизм разветвления трещины, как показано в случае «г» на рисунке 4.

Таблица 1 - Зависимость параметра особенности X от соотношения

упругих свойств материалов биметалла (поперечная трещина)

Схема е, е2 V, V2 1

т —> м 100 1 0,3 0,3 -0,91588

т -» м 50 1 0,3 0,3 - 0,88296

т —» м 20 1 0,3 0,3 - 0,82246

т —> м 10 1 0,3 0,3 - 0,76287

т —^ м 5 1 0,3 0,3 - 0,69336

т —> м 2 1 0,3 0,3 - 0,59050

м -> т 1 2 0,3 0,3 -0,38104

м —> т 1 3 0,3 0,3 -0,27712

м т 1 4 0,3 0,3 -0,12952

м —> т 1 4,1 0,3 0,3 -0,09519

1 1 0,3 0,2 - 0,50900

1 1 0,3 0,4 - 0,48504

1 1 0,2 0,3 - 0,48982

1 1 0,4 0,3 -0,51287

Коэффициенты интенсивности напряжений определяли двумя независимыми способами: прямым методом с экстраполяцией К = Нш^Дст-г''-/Дер)), где напряжения ст предварительно определялись методом конечных элементов, и энергетическим методом, основанным на балансе энергий при росте трещины (рисунок 6). Каждый из этих методов имеет свои недостатки и преимущества, но при совместном применении достоверность результатов существенно повышается.

Из свойств подобия полей напряжений в образцах, отличающихся только масштабом, вытекает следующая зависимость КИН от нагрузки и абсолютных размеров:

К = аном.5-'-¥(т1). О)

Здесь стит1 - номинальное напряжение, которое определяется нагрузкой;

5 - характерный размер (толщина биметалла);

П = Ь / 5 - относительный размер трещины;

У(г|) - безразмерный поправочный множитель (инвариант).

0 1} У'

'ф

о

твердый мягк

О ф

Рисунок 5 - Распределение напряжений в окрестности вершины поперечной трещины ( К = 1; г = 1; о = Г(ф))

С ,НУм

1,0 -

Сном

0,6 -

0,4

0,2 -

Положение /

межфззной-> / :

плоскости / ;

т-м/ Я

/ / /

' / т_ -т //•

/м^т

и

=

1 2

\

б И, мм

Рисунок 6 - Интенсивность высвобождаемой энергии О при росте поперечной трещины в биметалле;

К = л/(Е-0)/[2Я-(1-У2)]

Анализ полученных результатов показывает, что наиболее опасны трещины, переходящие из твердого слоя биметалла в мягкий. Трещины, переходящие из мягкого материала в твердый, менее опасны, так как концентрация напряжений на них менее ярко выражена. При разномодульно-сти Е2/Е, > 4,2 особенность вида а —> оо вовсе исчезает.

Разветвлённая трещина с межфазной частью (случай «г» на рисунке 4)

В данном случае напряжения также описываются выражением (2), однако множитель Г(ф) имеет сложный вид из-за того, что параметр особенности X является комплексной величиной (X = +1 • X,). Его мнимая часть теоретически приводит к осцилляциям всех компонент напряжений с возрастающей частотой со = X, • 1п г (так как |1п г| -> оо при г -» 0). В реальности такую картину трудно себе представить, тем более выразить графически. Поэтому основные результаты получили методом конечных элементов, учитывая, что действительная часть Хя = - 0,5 независимо от соотношения упругих свойств материалов.

На рисунке 7 приведены графики распределения напряжений перед межфазной трещиной для двух случаев (размеры 5, = 62 = 5 мм; Ь = 10 мм; номинальное напряжение аном =1 МПа; разномодульность материалов Е, /Е, = 2 и Е, /Е2 =0,5). Значения КИН, найденные прямым методом с экстраполяцией, приведены в таблице 2. Аналогичные результаты получены энергетическим методом.

Рисунок 7 - Графики распределения напряжений в биметалле с межфазной трещиной

Таблица 2 - Значения КИН для межфазной трещины в биметалле

для случая «г» на рисунке 5 (5, = 62 = 5 мм; V, = у2 = 0,3; °„„„=1 МПа)

Схема трещины е,/е2 и, мм К,,ед. СИ К2, ед. СИ

м т 0,5 6 0,3029-105 0,2890-105

м —> т 0,5 10 0,3091т05 0,2826-105

м —> т 0,5 16 0,3042-105 0,2917-105

т —> м 2 6 0,6304-105 0,9270-105

т -» м 2 10 0,6413-105 0,9159-ю5

т->м 2 16 0,6434-105 0,9239-105

Результаты исследований подтверждают, что при повреждении твердого слоя биметалла образующаяся при этом концентрация напряжений значительно более опасна, чем в обратном случае.

При развитии межфазной трещины коэффициенты интенсивности напряжений К| и К2, соответствующие нормальным и касательным напряжениям, практически не изменяются, оставаясь на исходном уровне.

Таким образом, фактор механической неоднородности материалов оказывает одно из определяющих влияний на напряжённое состояние, прочность, ресурс биметаллических сосудов и на допустимые безопасные режимы их эксплуатации.

Третья глава посвящена изучению особенностей напряжённого состояния и прочности соединений разнородных материалов (поперечной неоднородности). К таким, в частности, относятся сварные, паяные, клеевые элементы конструкций. В районе стыков таких соединений возникает концентрация напряжений (рисунок 8).

Рисунок 8 - Фотоупругая картина стыкового соединения с поперечной прослойкой из мягкого материала

Применяя метод комплексных потенциалов в сочетании с «принципом микроскопа», установили, что в окрестности краевой точки стыка (рисунок 9) напряжения также описываются выражением типа (2) несмотря на то, что в данном случае трещины нет. Следовательно, в зависимости от параметра X краевая зона стыка может быть таким же резким концентратором напряжений, как и трещина. Исследования показали, что параметр X сложным образом зависит от упругих характеристик материалов Еь Е2, у2 и углов <х| и а2, «занятых» этими материалами. Для случаев, когда поверхность соединения в зоне стыка плоская (а, +а2 =180°), характер зависимости параметра X от угла <Х| показан на рисунке 10. Из графика видно, что параметр X принимает отрицательные значения в диапазонах р, <а, <Р2 и р3 <а, <180°; при этом появляется резкая концентрация напряжений типа а —> оо. В диапазонах 0 < а, < Р1 и Р2 < а, < рз параметр X положителен. Это означает, что при этих углах концентрация напряжений в краевых зонах стыка не возникает, а наоборот, проявляется эффект малонапряженности. Данный результат имеет важные практические последствия: он открывает возможность управлять концентрацией напряжений конструктивными методами на этапе проектирования изделий.

Ег __ 1

Е, "2

Р2

-0.25 '■■■- .................;.......... -...... .....—.....- ;

о 30 60 90 120 150 180

Рисунок 10 - Характер зависимости параметра А. от угла 0С|

(сХ| соответствует сектору, «занятому» мягким материалом)

Рисунок 9 - Расчётная схема краевой зоны стыка

Однако этой возможностью на практике не всегда удается воспользоваться. В таких случаях необходимо правильно оценивать степень опасности концентрации напряжений, возникающей из-за влияния фактора механической неоднородности. Учитывая, что напряжения описываются выражением типа (2), аналогичным для случая трещины, оценку целесообразно выполнять на основе критериев механики разрушения, но с учётом специфических особенностей. В данном случае одинаково эффективны следующие три критерия прочности:

- К-подход, основанный на сравнении КИН с его предельным значением К для данной пары материалов;

- энергетический подход, основанный на балансе энергий: выделяющейся при зарождении и продвижении трещины и необходимой на образование новой поверхности (на компенсацию поверхностной энергии);

- критерий эквивалентной трещины, основанный на том положении, что резкая концентрация напряжений в бездефектном соединении разнородных материалов эквивалентна по опасности некоторой трещине в однородном материале.

Энергия зарождения трещины Со и размер эквивалентной трещины Ьжв определяются построением графика изменения интенсивности высвобождаемой энергии в при росте трещины (рисунок 11).

Рисунок 11 - Определение энергии зарождения трещины Оо и размера эквивалентной трещины Ьэкв

Все критерии прочности и разрушения используют в качестве исходной информации значения параметров А. и К, участвующих в выражении (2). В таблице 3 приведены значения этих параметров для некоторых

пар материалов, соединяемых прямым стыком (а,=а2=л/2; v, =у2 =0,3). Для расширения области применения полученных данных выделен безразмерный множитель У, независимый по отношению к размерам (6) и нагрузке (аН11М). При этом использовано следующее выражение, аналогичное (3): К = оН0М • б-* • У(Х).

Таблица 3 - Результаты расчётов КИН прямым методом (номинальное напряжение аном =1 МПа; толщина образца 5 = 10 мм; экстраполяция по напряжениям сту в области 0,1...0,3 мм)

Еа/Е, X К, МПа-м~'' У

1 0 1,0 1,0

2 - 0,03700 0,7343 0,8707

3 - 0,07989 0,5167 0,7465

4 -0,11214 0,3983 0,6676

5 -0,13618 0,3287 0,6154

6 -0,15460 0,2842 0,5792

7 -0,16909 0,2537 0,5527

10 -0,19846 0,2018 0,5033

20 -0,23915 0,1476 0,4440

50 - 0,26769 0,1187 0,4072

100 - 0,27803 0,1098 0,3951

1000 - 0,28773 0,1021 0,3841

10000 -0,28871 0,1013 0,3829

100000 - 0,28882 0,1012 0,3827

В четвертой главе приведены результаты экспериментов.

Первая серия экспериментов проведена с целью проверки возможности управления концентрацией напряжений путём оптимизации формы стыка. Для этого использовали эффект фотоупругости, позволяющий визуально наблюдать поле напряжений. На рисунке 12 показаны фотоупругие картины двух соединений, отличающихся только формой стыка. Данный эксперимент подтверждает, что, подбирая форму стыка (добиваясь, чтобы угол выхода стыка на поверхность соединения соответствовал условию

малонапряженности), можно полностью исключить резкую концентрацию напряжений, перевести ее в разряд «мягких», не опасных для конструкции.

Рисунок 12 - Фотоупругие картины на стыковых соединениях

разнородных материалов («т» - алюминиевый сплав; «м» - полиуретан)

Вторая серия экспериментов проводилась с целью проверки эффективности предложенных методов оценки прочности соединений с учётом фактора механической неоднородности. На рисунке 13 приведены результаты испытаний (точки) и расчетов (сплошная линия) образцов с межфазными трещинами. Результаты испытаний совпадают с расчётными данными в пределах случайных разбросов.

На рисунке 14 приведены аналогичные результаты для бездефектных соединений с мягкой прослойкой. Систематическое отклонение результатов испытаний от расчётной кривой объясняется наличием остаточных напряжений, которые в расчёте не учитывались. Несмотря на это, результаты испытаний правильно передают характер зависимости прочности от толщины прослойки. Видно, что с уменьшением толщины прослойки прочность соединения растёт и превышает прочность самого материала прослойки (в этом проявляется эффект упрочнения мягкой прослойки).

1 > г —г м V -

1 1 >

5

> 1 1 > 1 ►

—. ) 1

О 0,1 ОД 0,3 Ь/8

Рисунок 13 - График зависимости разрушающей нагрузки (}*

от размера межфазной трещины в соединении стали (т) и отверждённой эпоксидной смолы (м) (ширина 6 = 42,5 мм; толщина пластин 4,7 мм)

Рисунок 14 - Результаты испытаний бездефектных соединений с мягкой прослойкой

В следующем эксперименте испытаны несколько типов соединений, отличающихся только формой стыка (рисунок 15). В качестве мягкого материала использован гарт (сплав 78 % свинца, 4,5 % олова, остальное -сурьма). Результаты испытаний подтвердили, что при выполнении рекомендаций, сделанных на основе теоретических исследований, удается полностью исключить отрицательное влияние концентратора напряжений.

Сгаяь

Гарт

Гарт

Стать

Гарт

Сталь

Гарт

Гарт

Q*= 15,5 кН

25,0 кН

25,7 кН

13,8 кН

26,6 кН

Рисунок 15 - Типы испытанных образцов и их прочность (сечение 10x50 мм2, разномодульность 6,62)

Таким образом, показано, что без учёта фактора механической неоднородности элементов конструкций можно получить ошибки, которые в дальнейшем приведут к разрушениям оборудования. Результаты настоящих исследований позволяют минимизировать отрицательное влияние фактора механической неоднородности на всех этапах жизненного цикла такого оборудования.

Основные выводы

1. На примерах биметалла и стыкового соединения установлены основные закономерности формирования полей напряжений и деформаций в элементах конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств. Полученные формулы позволяют:

на этапе проектирования технических устройств оптимизировать выбор материалов, геометрические характеристики, технологические особенности изготовления и ремонта;

на этапе эксплуатации оценивать по результатам диагностики техническое состояние, определять безопасные сроки эксплуатации с учетом

фактора неоднородности, геометрических характеристик, тепловых и механических режимов нагружения, динамики развития разрушения.

2. Изучены отличительные особенности формирования полей напряжений в окрестности трещин, развивающихся в механически неоднородных элементах конструкций. На трещинах сингулярность поля напряжений типа о—>со сохраняется, но порядок особенности X и коэффициент интенсивности напряжений зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов - вязкости разрушения К[С.

3. Установлено, что:

с отклонением разномодульности материалов отдельных участков (Е2/Е,) от единицы распределение напряжений становится всё более неравномерным, увеличивается концентрация напряжений;

при некоторых геометрических характеристиках (форма, углы, размеры) концентрация напряжений, вызванная механической неоднородностью, имеет особенность типа о оо, что делает её подобной трещине по опасности для конструкции;

переход трещины из мягкого материала в твердый энергетически затруднён, в обратном порядке (из твердого в мягкий) - облегчен;

отличие материалов отдельных участков по коэффициентам теплового расширения играет всегда отрицательную роль, приводит к снижению термоциклической долговечности.

4. Теоретически и экспериментально показано, что путем оптимизации формы стыков можно избежать образования резкого концентратора напряжений в разнородных соединениях и добиться равнопрочности с использованными материалами. Для этого двугранный угол ам, «занятый» мягким материалом в краевой зоне стыка, должен находиться в одном из следующих диапазонов: (О, р,), (02, Рз). Значения углов Р,, р2, Рз определяются упругими свойствами материалов. Для большинства конструкционных материалов р, « 55°; рз = и - р,.

5. Разработан математический аппарат, включающий методы определения основных характеристик резких концентраторов напряжений с особенностью вида о -> К ■ Iя: параметров особенности X, коэффициентов интенсивности напряжений К, энергетической характеристики в. Математический аппарат основан на методах комплексных потенциалов, ко-

нечных элементов, экстраполяции в область сингулярности, теории подобия. Предложены и обоснованы несколько критериев разрушения, которые могут быть применены к концентраторам указанного вида независимо от их происхождения (трещиноподобные, V-образные, конструктивные).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Гумеров K.M., Сафиуллин Н.Ф., Рябов И.А., Козин И.В. Некоторые особенности проектирования технических устройств из гетерогенных материалов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. -№ 12.-С. 13.

2. Сафиуллин Н.Ф., Гумеров А.К., Рябов И.А. Методика расчетной оценки термоциклической долговечности труб и сосудов из однородных материалов и биметаллов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Тез. докл. научн.-практ. конф. 25 мая 2005 г. - Уфа, 2005. - С. 36-38.

3. Гумеров K.M., Хайрутдинов Ф.Ш., Рябов И.А. О техническом состоянии магистрального нефтепродуктопровода Нижнекамск Н.Новгород // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: Сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2005. - Вып. 64. - С. 77-87.

4. Гумеров И.К., Шмаков В.А., Галяутдинов A.A., Рябов И.А. Проблемы оценки остаточного ресурса и безопасности магистральных трубопроводов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. / ИПТЭР. - Уфа, 2006. - Вып. 66. - С. 139-154.

5. Рябов И.А., Гиззатуллин P.P. Исследование свойств металла труб и сварных соединений трубопроводов с длительным сроком эксплуатации // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 23 окт. 2008 г. - Уфа, 2008. - С. 92-95.

6. Гумеров А.К., Рябов И.А. К определению коэффициента интенсивности напряжений в элементах конструкции с трещинами // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 23 окт. 2008 г. - Уфа, 2008. - С. 120-124.

7. Рябов И.А., Гумеров А.К. Напряжённое состояние сварных стыков на подкладных кольцах // Трубопроводный транспорт - 2008. Матер. IV Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. - Уфа: УГНТУ, 2008. - С. 98-99.

8. Гумеров K.M., Сираев А.Г., Гумеров А.К., Рябов И.А., Шулан-баева JI.T. Разработка инструкции по ремонту дефектных участков продук-

топроводов ШФЛУ// Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер, на-учн.-техн. семинара 19 янв. 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 64- 66.

9. Рябов И.А. К ремонту трубопровода на сложных участках // Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер, научн.-техн. семинара 19 янв. 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 74-76.

10. Рябов И.А., Гумеров А.К., Сарбаев P.P. Напряжённо-деформированное состояние и термоциклическая долговечность сосудов из однородных материалов и биметаллов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2009. -Вып. 1 (75).-С. 31-38.

И. Рябов И.А. Трещиностойкость сосудов из биметаллов в условиях нестационарных термомеханических воздействий // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. - Уфа, 2009. -С. 95-96.

12. Гумеров А.Г., Рябов И.А., Гумеров А.К. Исследование сингулярных полей напряжений с помощью «принципа микроскопа» // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. - Уфа, 2009.-С. 75-76.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 19.06.2009 г. Бумага писчая. Заказ № 241. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУП «ИПТЭР» РБ. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

ВВЕДЕНИЕ

1 РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СОСУДОВ ИЗ БИМАЛЛОВ В УС- 14 ЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

1.1 ■ Особенности деформирования биметаллов в условиях равно- 15 мерных постоянных температур

1.2 Особенности деформирования сосуда из однородного металла в 24 условиях нестационарных термомеханических воздействий

1.3 Особенности деформирования сосуда из биметалла в условиях 33 нестационарных термомеханических воздействий

1.4 Оценка термоциклической долговечности сосудов из однород- 42 ных материалов и биметаллов

Выводы по разделу

2. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ СОСУДОВ ИЗ БЕМАЛЛОВ В УС- 50 ЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

2.1 Особенности прохождения поперечной трещины через границу 52 раздела материалов в биметалле

2.2 Особенности напряженного состояния в окрестности межфаз- 68 ной трещины в биметалле

2.3 Коэффициенты интенсивности напряжений в биметалле с тре- 82 щиной

Выводы по разделу

3. ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧ- 98 НОСТИ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Исследование особенностей напряжённого состояния стыковых 99 соединений разнородных материалов

3.2 Напряженное состояние механически неоднородных соедине- 113 ний с прямым стыком

3.3 Оптимизация формы стыков как метод обеспечения надёжности 118 и безопасности механически неоднородных соединений

3.4 Методы и критерии оценки прочности соединений разнородных материалов с резким концентратором напряжений Выводы по разделу

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГО

НЕОДНОРОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

4.1 Испытания упруго-неоднородных соединений с межфазными 142 трещинами

4.2 Испытания бездефектных упруго-неоднородных соединений

4.2.1 Испытания бездефектных соединений с резкой концентрацией 148 напряжений

4.2.2 Испытания бездефектных стыковых соединений с малонапря- 154 жёнными краевыми зонами

Выводы по разделу

Задачи, стоящие в нефтегазовой и нефтехимической отраслях производства, выдвигают жесткие и противоречивые требования к применяемым техническим устройствам. Они должны сохранять прочность и работоспособность в условиях одновременного действия высоких нагрузок, агрессивных сред, высоких и низких температур, обладать достаточной долговечностью в условиях нестационарных и циклических режимов. Учитывая, что эти производства связаны с опасными продуктами, а разрушения оборудования или отдельных элементов могут вызвать пожары, взрывы и отравления работающего персонала, а также ущерб окружающей среде, все применяемые технические средства должны обеспечивать высокую степень надёжности и безопасности.

Решение указанных задач требует постоянного совершенствования технических устройств, что невозможно без использования новых конструкционных материалов. Поскольку ни один материал в отдельности не может удовлетворять всем выдвигаемым требованиям одновременно, при изготовлении современного оборудования всё чаще используют различные материалы и их сочетания, постоянно расширяя ассортимент. Это одновременно требует развития сварочных технологий. В настоящее время технически возможно получать бездефектные соединения практически любых пар материалов за счёт применения специальных технологий (сварка дуговая в защитных средах, лазерная, электронно-лучевая, диффузионная, трением, пайка, склеивание и т.д.) [4, 36, 37, 45, 47, 48, 54, 76, 78]. Дальнейшее совершенствование технологий соединения разнородных материалов происходит в направлении повышения качественных показателей и эффективности производства.

С расширением разнообразия конструкционных материалов на передний план выходят также проблемы обеспечения прочности их соединений. Очевидно, что прочность элементов конструкций из разнородных материалов зависит от прочности применяемых материалов и их соединений (стыков). Однако, как оказалось, на прочность соединения влияют ещё, как минимум, два фактора: соотношение механических характеристик использованных материалов и конструктивные особенности самих стыков (форма, углы, протяжённость, другие размеры). На эти особенности впервые было обращено пристальное внимание в связи с необходимостью сварки высокопрочных сталей для изготовления специальных толстостенных аппаратов. Наиболее удачным решением оказалась сварка мягкими электродами, что позволило избежать образования сварочных трещин при остывании швов. При этом за счёт подбора толщины мягкой прослойки удалось добиться рав-нопрочности соединения с основным высокопрочным металлом [6-12, 101].

Дальнейшие исследования показали универсальность явлений контактного упрочнения мягких материалов и разупрочнения твердых. Причём, эти явления проявляются практически при всех видах воздействия (растяжение, сжатие, изгиб, циклические нагрузки, вибрация, коррозия) за исключением сдвига параллельно плоскости контакта. Явление состоит в том, что при высоких нагрузках мягкий металл шва раньше других участков вступает в состояние пластического деформирования. Но с развитием местных пластических деформаций "включается" механизм контактного упрочнения, что тормозит дальнейшее протекание пластических деформаций в мягком металле шва вплоть до достижения предела текучести основного твердого металла. В таких соединениях под механической неоднородностью понималось различие металла шва от основного металла по пределу текучести сгх.

С дальнейшим совершенствованием технических средств всё больше стали применяться сварные соединения различных марок сталей и сплавов, в том числе легированных и высоколегированных. В них наряду с неоднородностью по пределу текучести заметнее стала проявляться неоднородность по коэффициентам теплового расширения Ор. Это усилило влияние неоднородности свойств материалов и соединения на напряженное состояние и прочность [16, 17, 49, 58]. Причём, определённый уровень напряженности остается даже при полном отсутствии нагрузки (остаточные напряжения). Поэтому в таких соединениях под механической неоднородностью следует понимать различие участков соединения не только по пределу текучести, но и по коэффициенту теплового расширения. По результатам ряда исследований, одним из способов управления концентрацией напряжений является подбор форм стыков. Это показало актуальность более подробного изучения эффектов, связанных с механической неоднородностью.

Дальнейшее развитие теории прочности неоднородных соединений связано с расширением разнообразия применяемых конструкционных материалов. При этом на передний план вышли параметры механических свойств, описывающие состояние материалов в упругом состоянии: модуль упругости Е и коэффициент Пуассона v. Различие материалов по упругим свойствам вызывает концентрацию напряжений при любых нагрузках, даже при самых незначительных. Поэтому понятие механической неоднородности следует расширить и под ней понимать различие материалов и участков соединения по множеству параметров, в том числе Е, v, ат, ат, ав. Как показал ряд исследований [27, 32], влияние неоднородности на напряженное состояние, прочность и надёжность соединений зависит от конструктивных форм и размеров соединения. Поэтому оптимизация форм и размеров стыков остаётся наиболее доступным и эффективным способом повышения качества таких соединений. Для реализации этой возможности в полном объёме требуется провести подробные целенаправленные исследования, эффективным методом управления концентрацией напряжений остается

Отметим, что отдельные стороны проблемы механической неоднородности рассматривались и изучались учёными, в том числе зарубежными. Но это были в основном академические труды, и они оставались далеко от производственных нужд [1-3, 5, 18-21, 35, 43, 52, 59, 69, 71, 73, 80, 100, 103].

В нефтегазовой и нефтехимической отраслях производства механическая неоднородность встречается часто и в разных видах. Отметим наиболее яркие проявления механической неоднородности.

Например, для изготовления некоторых сосудов и аппаратов применяют биметаллы и плакированные листы [29, 84-86], в которых материалы слоев отличаются практически всеми вышеуказанными характеристиками. При этом каждый из слоев выполняет разные функции: основной слой обеспечивает прочность, поверхностные слои выполняют барьерную функцию, обеспечивая коррозионную стойкость аппарата. Здесь неоднородность механических свойств условно можно назвать продольной, поскольку действие основные напряжения направлены вдоль слоев биметалла.

Другой пример - стыковые соединения труб из разных марок сталей и сплавов [31, 32, 89]. Здесь возникают рабочие напряжения в направлении, перпендикулярном плоскости стыка. Механическую неоднородность в этом случае условно назовём поперечной.

Применяются также элементы конструкций, обладающие механической неоднородностью, занимающие промежуточное положение между продольной и поперечной. Это - большинство паяных и клеевых соединений, которые несут нагрузки, но для увеличения площади предусматриваются косые поверхности контакта [22, 23, 36, 37, 47, 48].

Дефектные участки трубопроводов, резервуаров и сосудов в последнее время ремонтируют с применением специальных паст на основе клеёв и наполнителей. При этом отремонтированный участок будет обладать неоднородностью практически по всем показателям.

При ремонте высоконагруженных магистральных нефтегазопроводов применяют так называемую композитно-муфтовую технологию (КМТ). В результате ремонта данный участок трубопровода становится трёхслойным: внутренний и наружный слои стальные, средний слой — отверждённый композитный состав на основе эпоксидной смолы с наполнителем [34, 44].

Неярко выраженным свойством механической неоднородности обладают практически все сварные соединения труб, аппаратов, конструкций. В' них свойства основного металла, зоны термического влияния, металла шва отличаются твердостью, следовательно, пределами текучести и прочности. Кроме того, в силу неоднородности химического состава участков будет присутствовать неоднородность и по остальным характеристикам.

Важной особенностью элементов конструкций, обладающих механической неоднородностью, является то, что влияние отдельных параметров неоднородности на общую картину напряженного состояния не аддитивно, а сложным образом зависит от сочетания всех остальных механических свойств, геометрических характеристик, а также от параметров, характеризующих условия эксплуатации (температурно-силового режима). Поэтому исследования отличаются большой многофакторностью. Это вызывает определённые трудности при поиске оптимальных конструкционных решений. В числе возможных вариантов таких решений, в частности, являются следующие:

- выбор материалов и оптимизация размеров слоев в биметаллических сосудах;

- оптимизация геометрических характеристик соединений (форм и размеров стыков).

Несмотря на все конструктивные решения, направленные на снижение концентрации напряжений, в большинстве случаев достичь равномерного распределения напряжений не удаётся. Боле того, даже в бездефектных соединениях разнородных материалов могут образоваться резкие концентраторы напряжений с особенностью типа а—>оо [31, 51, 60, 61]. Кроме того, при длительной эксплуатации оборудования могут образоваться и развиваться трещины, которые являются концентраторами напряжений такого же типа. Поэтому существует задача правильно оценивать опасность таких концентраторов напряжений и назначать безопасные режимы и сроки эксплуатации. Для этого необходимо провести исследования закономерностей образования концентраторов напряжений, пересмотреть критерии разрушения, учитывая влияние фактора механической неоднородности.

Методы исследования также должны учитывать фактор механической неоднородности. Опираться только на классическую теорию прочности и механику разрушения в данных задачах недостаточно. Это следует хотя бы из того, что в некоторых случаях фактор механической неоднородности влияет даже на размерность коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Это делает невозможным применение традиционного критерия разрушения, основанного на сравнении КИН с вязкостью разрушения материала Кк:, не говоря уже о том, что значение К]С в механически неоднородных элементах не всегда известно.

Ввиду большого разнообразия исходных параметров на первом этапе исследований целесообразно ограничиться подробным изучением двух основных видов механической неоднородности: продольной (на примере биметалла) и поперечной (на примере стыкового соединения). При этом следует уделять особое внимание вопросам зарождения и развития трещин, поскольку от этих вопросов зависит безопасность оборудования.

Вышеперечисленные особенности, связанные с безопасной эксплуатацией оборудования нефтегазового комплекса с учетом фактора механической неоднородности позволили сформулировать тему диссертации, поставить соответствующие цель и задачи.

Цель работы — совершенствование методической базы обеспечения надёжности и безопасности элементов конструкций нефтегазового комплекса на основе изучения особенностей формирования напряженного состояния и развития разрушения с учётом фактора механической неоднородности

Задачи:

1. Изучить особенности напряжённо-деформированного состояния элементов конструкций, обладающих ярко выраженной механической неоднородностью, на примере биметаллических сосудов, эксплуатирующихся в условиях нестационарных термомеханических воздействий.

2. Исследовать особенности развития трещин при разрушении элемента конструкции на примере биметаллического сосуда.

3. Исследовать особенности формирования концентрации напряжений в бездефектных неоднородных элементах конструкций на примере стыковых соединений.

4. Разработать критерии разрушения бездефектных неоднородных элементов конструкций, содержащих концентратор напряжений типа сг —> оо.

5. Разработать методы снижения отрицательного влияния механической неоднородности на надёжность и безопасность элементов конструкций, эксплуатирующихся в условиях нестационарных термомеханических воздействий.

Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых: O.K. Аксентяна, O.A. Бакши, H.H., Блумберга, 'M.JL Вильямса, K.M. Гумерова, Дж. Ирвина, H.A. Махутова, С.Е. Михайлова, Е.М. Морозова, Н.И. Мусхелишвили, В.В. Панасюка, В.В. Парцевского, П. Париса, Дж. Райса, Дж. Си, Г.П. Черепанова, К.С. Чобаняна, Р.З. Шрона, Ф. Эрдо-гана и других. В работе широко использованы теоретические и численные методы решения задач о напряжённом состоянии элементов конструкций, положения теории прочности и механики разрушения (MP), результаты испытания специальных образцов.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:

1. Исследованы закономерности взаимного влияния слоев биметаллической стенки сосуда при одновременном воздействии внутреннего давления и температурных полей. Закономерности выражены в виде количественных формул для напряжений, в которых в качестве исходных данных участвуют размеры сосуда, термомеханические свойства материалов, параметры режимов эксплуатации.

2. Установлены причины и механизмы термоциклической ползучести стенки сосудов с учетом условий эксплуатации и фактора механической неоднородности. Получены расчётные формулы, позволяющие прогнозировать этот процесс и оценивать ресурс безопасной эксплуатации в условиях термоциклической ползучести,.

3. Изучены отличительные особенности формирования концентрации напряжений в окрестности трещин, развивающихся в биметалле. Установлено, что в биметаллах сингулярность поля напряжений типа а —» оо сохраняется, но порядок особенности X и коэффициент интенсивности (КИН) сильно зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов - вязкости разрушения К^. По энергетическому критерию переход трещины из мягкого материала в твердый затруднён, в обратном порядке (из твердого в мягкий) облегчен.

4. Установлены особенности напряженного состояния соединений разнородных материалов. Показано, что в зависимости от соотношения упругих свойств материалов и угловых характеристик стыков даже в бездефектных соединениях может образоваться резкая концентрация напряжений с особенностью типа а—>оо. Данный концентратор по опасности для конструкции эквивалентна некоторой трещине. Получены выражения для эквивалентной трещины, которые позволяют применять методы механики разрушения к бездефектным соединениям разнородных материалов.

5. Теоретическими исследованиями и испытаниями образцов показано, что путем оптимизации формы стыков можно избежать появления резкой концентрации напряжений в разнородных соединениях. Этот путь является наиболее эффективным методом обеспечения прочности и безопасности конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Результаты исследований биметаллических сосудов позволяют на этапе проектирования предусмотреть возможные механизмы преждевременного выхода из строя, принять превентивные меры на этапе эксплуатации -адекватно оценивать степень опасности обнаруженных трещин, обосновать остаточный ресурс и назначать соответствующие способы обеспечения безопасности.

2. Результаты исследований стыковых соединений разнородных материалов позволяют на этапе проектирования оптимизировать формы стыков, исключать возможность образования резкой концентрации напряжений, тем самым обеспечивать надёжность и безопасность конструкций.

3. Разработан математический аппарат, позволяющий в зависимости от соотношения механических характеристик использованных материалов определять основные расчётные характеристики концентрации напряжений: порядка особенности X, коэффициента интенсивности напряжений К, интенсивности высвобождаемой энергии G0, размера эквивалентной трещины Ьэкв- Данные характеристики позволяют на этапе эксплуатации периодически оценивать прочность конструкций с учётом образованного концентратора напряжений, назначать ресурс безопасной эксплуатации.

4. Результаты данной работы использованы при:

- обследовании и оценке безопасных режимов эксплуатации биметаллических сосудов и резервуаров ОАО "Салаватнефтеоргсинтез"; (справка от ОАО "Салаватнефтеоргсинтез");

- экспертизе промышленной безопасности проектов на реконструкцию аппаратов нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств; (справка от AHO РЦ НТО "Башпромбезопасность");

- оценке безопасности метода ремонта магистральных трубопроводов с использованием композитно-муфтовой технологии («Инструкция по ремонту дефектных мест продуктопроводов широкой фракции легких углеводородов», Уфа - Нижневартовск, 2008.). На защиту выносятся: закономерности влияния фактора механической неоднородности на напряжённо-деформированное состояние, прочность, ресурс и безопасность элементов конструкций на примере биметаллов и стыковых соединений; усовершенствованные с учётом фактора механической неоднородности критерии прочности и безопасности элементов конструкций, содержащих резкие концентраторы напряжений типа а -> оо; методы обеспечения безопасности конструкций с ярко выраженной механической неоднородностью за счёт оптимизации конструктивных форм и размеров, а также за счёт применения новых критериев прочности и методов расчёта безопасных режимов и сроков эксплуатации.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУЛ «ИПТЭР» РБ за помощь и полезные советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На примерах биметалла и стыкового соединения установлены основные закономерности формирования полей напряжений и деформаций в элементах конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств. Полученные формулы позволяют: на этапе проектирования технических устройств оптимизировать выбор материалов, геометрические характеристики, технологические особенности изготовления и ремонта; на этапе эксплуатации оценивать по результатам диагностики техническое состояние, определять безопасные сроки эксплуатации с учетом фактора неоднородности, геометрических характеристик, тепловых и механических режимов нагружения, динамики развития разрушения.

2. Изучены отличительные особенности формирования полей напряжений в окрестности трещин, развивающихся в механически неоднородных элементах конструкций. На трещинах сингулярность поля напряжений типа а —> со сохраняется, но порядок особенности X и коэффициент интенсивности напряжений (КИН) сильно зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов - вязкости разрушения Кю.

3. Установлено, что: с отклонением разномодульности материалов отдельных участков (Е2/Е,) от единицы распределение напряжений становится всё более неравномерным, увеличивается концентрация напряжений; при некоторых геометрических характеристиках (форма, углы, размеры) концентрация напряжений, вызванная механической неоднородностью, имеет особенность типа ст —»со, что делает их подобным трещине по опасности для конструкции; переход трещины из мягкого материала в твердый затруднён, в обратном порядке (из твердого в мягкий) - облегчен; отличие материалов отдельных участков по коэффициентам теплового расширения играет всегда отрицательную роль, приводит к снижению термоциклической долговечности.

4. Теоретически и экспериментально показано, что путем оптимизации формы стыков можно избежать образования резкого концентратора напряжений в разнородных соединениях и добиться равнопрочности с использованными материалами. Для этого двугранный угол ам, занятый мягким материалом в краевой зоне стыка, должен находиться в одном из следующих диапазонов: (0, р,), (Р2, р3). Значения углов Р15 Р2, р3 определяются упругими свойствами материалов. Для большинства конструкционных материалов Р, « 55°; Р3 = п - Рх.

5. Разработан математический аппарат, включающий методы определения основных характеристик резких концентраторов напряжений с особенностью вида а —» К • г1 : параметров особенности А,; коэффициентов интенсивности напряжений К; энергетической характеристики О. Математический аппарат основан на методах комплексных потенциалов, конечных элементов, экстраполяции в область сингулярности, теории подобия. Предложены и обоснованы несколько критериев разрушения, которые могут быть применены к концентраторам указанного вида независимо от их происхождения (трещиноподобные, У-образные, конструктивные).

1.K. Особенности напряжённо-деформированного состояния плиты в окрестности ребра // Прикладная математика и механика. — 1967.-Вып. 1.-С. 178-186.

2. Аксентян O.K., Лущик О.Н. Об условиях ограниченности напряжений у ребра составного клина // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. — 1978.-№5.-С. 102-108.

3. Анализ технологических напряжений в двухслойных дисках SiC-Si / A.C. Цыбенко, A.JI. Майстренко, В.Н. Кулаковский и др. // Проблемы прочности. 1982. - № 11. - С. 76-79.

4. Артёмов Н.С. Изготовление крупногабаритных аппаратов вакуумно-диффузионной сваркой // Химическое и нефтяное машиностроение. -1980,-№ 10,-С. 18-19.

5. Ашбаух Н.Е. Развитие конечной трещины, перпендикулярной поверхности раздела двух материалов // Труды амер. об-ва инж.-мех., сер. Е. — 1973. Т. 40. - № 2. - С. 312-314.

6. Бакши O.A. Механическая неоднородность сварных соединений. Дисс. . докт. техн. наук. -М.: МВТУ, 1967. 29 с.

7. Бакши O.A. О напряжённом состоянии мягких прослоек в сварных соединениях при растяжении (сжатии) // Вопросы сварочного производства. Сб. науч. трудов Челябинского политех, ин-та. Вып 33. Челябинск: ЧПИ, 1965. - С. 5-26.

8. Бакши O.A., Зайцев H.JL, Вайсман JI.A. Прочность при статическом растяжении сварных соединений с наружной трещиной в мягкой прослойке // Сварочное производство. — 1982. — № 3. — С. 3-5.

9. Бакши O.A., Зайцев Н.Л., Гооге С.Ю. Определение коэффициентов интенсивности напряжений Kt и Кц методом фотоупругости // Заводская лаборатория. 1981. -№ 4. - С. 73-76.

10. Бакши O.A., Зайцев Н.Л., Гумеров K.M. Трещиностойкость прослоек в разномодульных соединениях при статическом растяжении // Проблемы прочности. 1983. - № 4. - С. 58-62.

11. Бакши O.A.,. Клыков H.A., Решетов A.JI. Влияние степени механической неоднородности на предел усталости сварных соединений с мягкой прослойкой // Прочность сварных соединений и конструкций при переменных нагрузках. — Челябинск, 1974. — С. 10-15.

12. Бакши O.A., Шахматов М.В., Ерофеев В.В. Напряжённо-деформированное состояние сварных соединений с дефектами в центре мягкого стыкового шва // Автоматическая сварка. 1982. — № 3. — С. 911.

13. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. — М.: Высшая школа, 1968. 512 с.

14. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложения методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. М.: Высшая школа,1974.-200 с.

15. Белл Ф. Дж. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел / Пер. с англ. под ред. А.П. Филина — М.: Мир, 1982. 317 с.

16. Биргер И.А. Термопрочность деталей машин. — М.: Машиностроение,1975.-455 с.

17. Блумберг H.H., Петров П.И., Фрайман А. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследования температурных напряжений в трехслойных композитных прослойках // — Механика композитных материалов. 1981. - № 5. - С. 779-784.

18. Блумберг H.H., Тамуж В.П. Краевые эффекты и концентрации напряжений в многослойных композитных пластинах // Механика композитных материалов. 1980. - № 3. - С. 424-435.

19. Боджи. Плоская статическая задача о нагруженной трещине, заканчивающейся на границе раздела двух материалов // Тр. амер. об-ва инж.-мех., сер. Е. 1971. - Т. 38. - № 4. - С. 196-205.

20. Вайншельбаум В.М., Гольдштейн Р.В., Холмянский M.JI. Плоская задача о трещине на границе соединения двух упругих клиньев. // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1980. - № 5. - С. 77-85.

21. Веденеева H.H., Клюшников В.Д., Мазинг Р.Н. Задача о склеивании двух полуплоскостей // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. — 1974. -№ 1.-С. 133-135.

22. Ганов Э.В., Догадин A.B. Напряженное состояние клеевого соединения цилиндрической оболочки из стеклопластика с крышкой // Механика композитных материалов. — 1979. № 2. - С. 362-364.

23. ГОСТ 25.506-85. Расчёт и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностой-кости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

24. ГОСТ 25-859-83. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность при малоцикловых нагрузках.

25. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

26. Гумеров А.К., Рябов И.А. К определению коэффициента интенсивности напряжений в элементах конструкции с трещинами // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 23 окт. 2008 г. Уфа, 2008. - С. 120-124.

27. Гумеров K.M., Колесов A.B. Некоторые проблемы прочности соединений разнородных материалов // Сварка разнородных, композиционных и многослойных материалов. Киев: ИЭС, 1990. - С. 19-23.

28. Гумеров K.M., Сафиуллин Н.Ф., Рябов И.А., Козин И.В. Некоторые особенности проектирования технических устройств из гетерогенных материалов. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. -№ 12. - С. 13.

29. Дундурс Дж., Комниноу М. Обзор и перспектива исследования межфазной трещины // Механика композитных материалов. — 1979. — № 3. -С. 387-396.

30. Ерёменко А.Л., Парцевский В.В. Стрельникова Н.Л. Анализ клеевых соединений конструктивных элементов из слоистых композитов // Механика композитных материалов. — 1981. —№ 5. — С. 785-791.

31. Жеженко Е.А. Исследование длительной прочности клеевых соединений при совместном действии нормальных и касательных напряжений // Проблемы прочности. 1981. -№ 12. - С. 81-84.

32. Зайнуллин P.C., Абдуллин P.C., Гумерова Г.Р. Расчеты долговечности сосудов и трубопроводов. Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. — 93 с.

33. Зайнуллин P.C., Постников В.В. Несущая способность сварных сосудов с острыми поверхностными дефектами при малоцикловом нагружении // Сварочное производство. 1982. - № 7. - С. 8-10.

34. Зайцев H.JL, Гооге С.Ю. Методика определения коэффициентов интенсивности напряжений IQ методом фотоупругости // Вопросы сварочного производства. Вып. 207. Челябинск: ЧПИ, 1979. - С. 31-36.

35. Зайцев H.JL, Гумеров K.M. Применение «численного микроскопа» в методе конечных элементов к исследованию полей напряжений в окрестности трещин // Вопросы сварочного производства. Сборник научных трудов Челяб. политехи, ин-та: 1981. - С. 10-18.

36. Ингленд. Трещина между двумя разными средами. // Тр. амер. об-ва инж.-мех., сер. Е. 1965. - Т. 32. - № 2. - С. 165-168.

37. Инструкция по ремонту дефектных мест продуктопроводов широкой фракции легких углеводородов. Уфа, Нижневартовск: ОАО "Сибур-ТюменьГаз", 2008. - 92 с.

38. Исследование напряжённо-деформированного состояния и работоспособности сварных труб из разнородных металлов применительно к энергетическим установкам / С.Н. Киселёв, Н.И. Воронин, В.В. Родин и др. // Сварочное производство. 1979. - № 6. - С. 7-15.

39. Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Т. Сварные сосуды высокогодавления. Д.: Машиностроение, 1982. - 287 с.

40. Квитка А.Л., Дьячков И.И. Конструкционная прочность клеевого неразъёмного соединения в сферической оболочке из хрупкого материала // Проблемы прочности. 1978. - № 11. - С. 74-81.

41. Кейгл Ч. Клеевые соединения / Пер. с англ. М.: Мир, 1971, - 432 с.

42. Коваленко А.Д. Основы термоупругости. — Киев: Наукова Думка, 1970, -308 с.

43. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчёты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. Справочник. М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

44. Колесов A.B., Гумеров K.M. Прочность упруго-неоднородных соединений с концентраторами V-образного типа // Вопросы сварочного производства. Челябинск: ЧПИ, 1989. - С. 19-25.

45. Кроссман Ф.В. Анализ разрушения слоистых композитов у свободного края // Механика композитных материалов. 1979. - № 2. - С. 280-290.

46. Куркин С.А. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением. М.: Машиностроение, 1976. - 312 с.

47. Лашко Н.Ф. Лашко C.B. Пайка металлов. М.: Машиностроение, 1967, -367 с.

48. Либовиц Г. Разрушение. Том 2. Математические основы теории разрушения / Пер. с англ. под редакцией А.Ю. Ишлинского. М.: Мир, 1975. - 765 с.

49. Махутов H.A., Бурак М.И., Гаденин М.М. и др. Механика малоциклового разрушения. — М.: Наука, 1986. — 264 с.

50. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие / Под общей ред. Панасюка В.В. Киев: Наук. Думка, 1988. - Т. 1. - 488 е.; - Т. 3. - 436 с.

51. Микинтюк O.A., Колеватов Ю.А.,. Сентюрин Е.Г. Влияние толщины слоев на температурные напряжения в трёхслойной пластине // Физико-химическая механика материалов. 1975. - № 1. - С. 79-81.

52. Михайлов С.Е. Об одной плоской задаче для двух соединённых анизотропных клиньев // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1978. -№4.-С. 155-160.

53. Михайлов С.Е. О краевом эффекте в слоистых композитах // Механика композитных материалов. 1981. - № 2. - С. 227-233.

54. Михайлов С.Е. Сингулярность напряжений в окрестности ребра в составном неоднородном анизотропном теле и некоторые приложения к композитам // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1979. - №5. -С. 103-111.

55. Михайлов-Михеев П.Б. Справочник по металлическим материалам турбино- и машиностроения. -M.-JL: Машзиз, 1961. 838 с.

56. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Применение метода конечных элементов в механике разрушения // Физико-химическая механика материалов. 1982.-№ 4.-С. 13-29.

57. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. - 708 с.

58. Никишков Г.П. Определение термоупругих коэффициентов интенсивности напряжений с помощью метода конечных элементов // Физика и механика деформаций и разрушения. Вып. 4 М.:Атомиздат, 1977. — С. 59-61.

59. Никишков Г.П., Вайншток В.А. Метод виртуального роста трещины для определения коэффициентов интенсивности напряжений IQ и Кп // Проблемы прочности. 1980. - № 6. - С. 26-30.

60. Нотт Дж. Ф. Основы механики разрушения / Пер. с англ. под общ. ред. В.Г. Кудряшова. М.: Металлургия, 1978. - 256 с.

61. Определение коэффициентов интенсивности напряжений методом фотоупругости / O.A. Бакши, H.JI. Зайцев, С.Ю. Гооге и др. // Заводская лаборатория. 1980. - № 3. - С. 280-282.

62. Открытие 102 (СССР). Явление малонапряжённости края поверхности контакта нагруженного составного тела / К.С. Чобанян. Опубл. В БИ,1971, №36.

63. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Партов В.З. Основы механики разрушения материалов. Справочное пособие. Том 1. — Киев: Наукова Думка, 1988. 488 с.

64. Панасюк В.В., Бережницкий JI.T. Оценка прочности композиций с остроугольными включениями // Механика композитных материалов. — 1982.-№3.-С. 430-438.

65. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. М.: Наука, 1985. - 502 с.

66. Парцевский В.В. Распределение напряжений в слоистых композитах // Механика полимеров. 1970. -№ 2. - С. 319-325.

67. ПБ 03-246-98. Правила проведения экспертизы промышленной безопасности. -М.: Госгортехнадзор России, 06.11.1998.

68. ПБ 08-624-03. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности.

69. Петрушин И.Е., Лоцманов С.Н., Николаев Г.А. Пайка металлов. М.: Металлургия, 1973, - 279 с.

70. Поля деформаций при малоцикловом нагружении / С.В. Серенсен, P.M. Шнейдерович, H.A. Махутов и др. М.: Наука, 1979, - 278 с.

71. Рабкин Д.М., Рябов В.Р. Сварка алюминия и его сплавов со сталью и медью. — М.: Машиностроение, 1965. 94 с.

72. Райе Дж. Математические методы в механике разрушения // Разрушение. Т.2 / Пер. с англ. М.: Мир, 1975, - С. 204-335.

73. Райе Дж. Плоская задача с трещинами, расположенными на границе раздела двух различных сред. — Тр. амер. об-ва инж.-мех. Сер. Е. -1965. Т. 32. - № 2. - С. 186-192.

74. РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзо-ру России. М.: Госгортехнадзор России, 1995.

75. РД 08-120-96. Методические указания по проведению анализа рискаопасных промышленных объектов (с приложением). М.: Госгортех-надзор России, 1996.

76. РД 50-345-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностой-кости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении. М.: Изд-во стандартов, 1983.

77. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы.

78. Си Дж. Механика разрушения композиционных материалов. В кн.: Разрушение композиционных материалов. Рига, 1979, с. 107-119.

79. Соединения труб из разнородных материалов / С.Н. Киселёв, Г.Н. Шевелёв, В.В. Рощин и др. М.: Машиностроение, 1981. — 176 с.

80. Сосуды и трубопроводы высокого давления. Справочник /Е.Р. Хисма-туллин и др. -М.: Машиностроение, 1990. -384 с.

81. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах / Под ред. Ю. Мураками. -М.: Мир, 1990. -1013 с.

82. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука. 1975. -576 с.

83. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов. Справочник / Под ред. И.Н. Францевича. Киев: Наукова Думка, 1982. -286 с.

84. ФЗ № 116. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».

85. Хеллан К. Введение в механику разрушения. М.: Мир, 1988. - 364 с.

86. Херман К., Браун X. Анализ трещин в композитном материале при термическом нагружении. Механика композитных материалов, 1979, с. 470-479.

87. Циклическая вязкость разрушения металлов и сплавов / Под ред. В.С, Ивановой, С.Е. Гуревича. -М.: Наука, 1981, -199 с.

88. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. -640 с.

89. Шахматов М.В., Ерофеев В.В. Инженерные расчеты сварных оболочковых конструкций. Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 229 с.

90. Шевченко А.Ю. Термонапряжённые состояния жёстко скреплённых полуполос одинаковой ширины. Прикладная механика, 1977, т. 13, № 19, с. 66-72.

91. Шрон Р.З. О прочности при растяжении сварных соединений с мягкой прослойкой в условиях ползучести. — Сварочное производство, 1970, № 7, с. 6-8.

92. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений / Б.С. Касаткин, А.Б. Кудрин, Л.М. Лобанов и др. Киев: Наукова Думка, 1981.-584 с.

93. Эрдоган Ф. Распределение напряжений в связанных разнородных материалах с трещинами. Тр. амер. об-ва инж.-мех., сер. Е. - 1965. - Т. 32.-№ 2.-С. 169-177.105106107108 109

94. Gartner William C., Byers C. Apath andemendent integral for computing stress in densities of V-notched crakes in bi-material // Int. J. Fract. 1987. -Vol. 35.-№4.-P. 245-268.

95. Williams M.L. Stress singularities resulting from various boundary conditions in angular corners of plates in extension // J. Appl. Mech., 1952. Vol. 19.-№4.-P. 526-528.0