Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні
Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для прогнозування кінетики росту тріщини та визначення залишкової довговічності посудин у газоподібному водні. Побудовано кінетичні діаграми водневого розтріскування (КДВР) литої мартенситної сталі ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) за різного тиску зовнішньої водн...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2012
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134413 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні / О.В. Гембара, Л.М. Іваськевич, В.М. Мочульський, О.Я. Чепіль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 5. — С. 103-109. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859915230862114816 |
|---|---|
| author | Гембара, О.В. Іваськевич, Л.М. Мочульський, В.М. Чепіль, О.Я. |
| author_facet | Гембара, О.В. Іваськевич, Л.М. Мочульський, В.М. Чепіль, О.Я. |
| citation_txt | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні / О.В. Гембара, Л.М. Іваськевич, В.М. Мочульський, О.Я. Чепіль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 5. — С. 103-109. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| description | Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для прогнозування кінетики
росту тріщини та визначення залишкової довговічності посудин у газоподібному
водні. Побудовано кінетичні діаграми водневого розтріскування (КДВР) литої мартенситної сталі ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) за різного тиску зовнішньої водневої атмосфери та концентрації заздалегідь поглиненого за високих температур водню, встановлено порогові значення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН), розраховано
залишкову довговічність трубопроводу та газового балона високого тиску. Встановлено, що на першій ділянці КДВР з ростом тиску і концентрації водню зменшується
порогове значення КІН, а на другій – зростає швидкість докритичного росту тріщини.
Предложен теоретико-экспериментальный подход для прогнозирования
кинетики роста трещины и определения остаточной долговечности сосудов в газообразном водороде. Построены кинетические диаграммы водородного растрескивания (КДВР)
литой мартенситной стали ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) при разном давлении внешней водородной атмосферы и концентрации предварительно поглощенного при высоких температурах водорода, установлены пороговые значения коэффициента интенсивности напряжений (КИН), расчитана остаточная долговечность трубопровода и газового баллона высокого давления. Установлено, что на первом участке КДВР с ростом давления и концентрации водорода уменьшается пороговое значение КИН, а на втором – растет скорость докритического роста трещины.
A theoretical and experimental approach for predicting the kinetics of crack
growth and determining the residual life of vessels in gaseous hydrogen was developed. Kinetic
diagrams of hydrogen cracking (KDHC) of the cast ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) martensitic steel
under different external pressure of hydrogen atmosphere and the concentration of pre-adsorbed
hydrogen at high temperatures were constructed, the thresholds stress intensity factors were
established, the residual life of a high pressure tank and a gas cylinder was calculated. It was
found that in the first section of KDHC with the hydrogen pressure and concentration increase
the threshold stress intensity factor decreases, and in the second – the speed of subcritical crack
growth increases.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:04:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
103
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2012. – ¹ 5. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 620.197.5: 669.788
ПРОГНОЗУВАННЯ КІНЕТИКИ РОСТУ ТРІЩИНИ ТА ЗАЛИШКОВОЇ
ДОВГОВІЧНОСТІ ПОСУДИН У ГАЗОПОДІБНОМУ ВОДНІ
О. В. ГЕМБАРА, Л. М. ІВАСЬКЕВИЧ, В. М. МОЧУЛЬСЬКИЙ, О. Я. ЧЕПІЛЬ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для прогнозування кінетики
росту тріщини та визначення залишкової довговічності посудин у газоподібному
водні. Побудовано кінетичні діаграми водневого розтріскування (КДВР) литої мар-
тенситної сталі ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) за різного тиску зовнішньої водневої атмо-
сфери та концентрації заздалегідь поглиненого за високих температур водню, вста-
новлено порогові значення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН), розраховано
залишкову довговічність трубопроводу та газового балона високого тиску. Встанов-
лено, що на першій ділянці КДВР з ростом тиску і концентрації водню зменшується
порогове значення КІН, а на другій – зростає швидкість докритичного росту тріщини.
Ключові слова: короткочасна та довготривала статична тріщиностійкість, вод-
неве розтріскування, мартенситна сталь, прогнозування довговічності.
Для обладнання енергетичного машинобудування, працюючого за високих
напружень, температур і тисків водневовмісних середовищ, необхідні матеріали,
які поєднують високу міцність та тріщиностійкість, а також надійні методи оці-
нювання їх роботоздатності. Етапи водневого окрихчення такі: утворення мікро-
тріщин, їх ріст до критичних розмірів та передчасний катастрофічний вихід з ла-
ду елементів конструкцій. Закономірності такого процесу досліджують з викори-
станням методів механіки руйнування, зокрема, сповільнене руйнування у водні
описують кінетичними діаграмами водневого розтріскування (КДВР) – залежнос-
тями швидкості росту тріщини v від коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН)
KI, який відображає геометрію тіла та прикладене навантаження [1, 2]. Через дов-
готривалість, затратність і вибухонебезпечність експериментальної побудови діа-
грам за різних тисків та концентрацій водню доцільно використовувати теоретич-
ні моделі кінетики росту тріщини, які дають змогу отримати значення функції
v(KI, С) за обмежених дослідних результатів [1, 2]. Нижче наведені експеримен-
тальні та обчислені КДВР сталі ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) та розрахунок залишко-
вого ресурсу трубопроводу і газового балона у водні високого тиску.
Алгоритм розрахунку елементів конструкцій на довговічність у газопо-
дібному водні. Нехай аі – характерний лінійний розмір початкового дефекту,
встановлений засобами дефектоскопії, і визначений КІН для елемента конструк-
ції. Тоді на основі даних про тріщиностійкість матеріалу визначають граничні
розміри тріщини, а саме [2]: граничний розмір а0 тріщини, що не росте за задано-
го навантаження, тобто виконується умова: (H)
I 0 I( ) = thK a K ; критичний розмір
тріщини acr, з якого починається катастрофічний її розвиток, тобто виконується
умова: KI(acr) = KIc.
Тріщина, розмір якої аі знаходиться в інтервалі a0 < ai < acr, за заданих умов
експлуатації може збільшуватися. Ріст такої тріщини визначає довговічність
конструкції, яку оцінюють з розв’язку рівняння
Контактна особа: О. В. ГЕМБАРА, e-mail: hembara@ipm.lviv.ua
104
I/ ( , )=da dt v K C , (1)
де v – швидкість росту тріщини; KI – КІН; C – концентрація водню.
Аналітично КДВР можна описати співвідношенням [1]
( )
( )
22 2
0,2 0 I I
22 2 2
I I I
2 exp( 2 ) ( )exp 2 1 /
1 /
⎡ ⎤σ − α − α − +⎣ ⎦≈
πα −
S c
c
D E m B C C m K K
v
K K K
, (2)
де H 0,21,8 /(2 )= σm V RT ; D – коефіцієнт дифузії водню; C0 і =S SC K P – від-
повідно концентрація заздалегідь поглинутого і зовнішнього водню; KS – коефіці-
єнт розчинності водню; R – газова стала; T – температура; VH – парціальний мо-
лярний об’єм водню у металі; P – тиск водню; α і В – характеристики системи
метал–водневе середовище.
Для практичного використання співвідношень (1), (2) необхідно отримати
значення I 0,2K , , ,α σc B для розглядуваної системи метал–водень. Їх знаходять з
експериментів.
Матеріали та методика випробувань. Досліджували литу мартенситну
сталь ВНЛ-1М (05Х13Н8М3), яку використовують для виготовлення водневих
помп та трубопроводів [3]. Хімічний склад, режими термічних обробок і характе-
ристики міцності та пластичності сталі у повітрі та водні за кімнатної температу-
ри і швидкості розтягу 0,1 mm/min, наведені у таблиці. Розвинута дендритна лі-
квація легувальних елементів і домішок зумовила виділення значної кількості
неметалічних включень: карбідосульфідів, карбідів та фосфатів і оторочки інтер-
металідних фаз (рис. 1). Структура мартенситно-аустенітна із 10…25% залишко-
вого аустеніту, рівномірно розподіленого на межах мартенситу у вигляді прошар-
ків шириною 1...6 µm, карбідами Ме2С і Ме23Сr6 та невеликою кількістю інтерме-
талідів Fe2Мо, розташованих на межах і всередині зерна.
Мартенсит, в основному, пакетний (85…90%) із розмірами пакетів 30...100×
×90...250 µm, шириною рейок 2...5 µm. Характерна особливість сталей із 12…
14 mass.% Cr – спроможність гартуватися за невеликого вмісту вуглецю, що обу-
мовлено високою стабільністю хромистого аустеніту, яка призводить до суттє-
вого зменшення критичних швидкостей формування мартенситної структури за
охолодження у повітрі [4].
Хімічний склад, режими термічної обробки сталі та механічні властивості
ненаводнених зразків у повітрі (чисельник), та заздалегідь наводнених
(СН = 7,6 wppm) у водні за тиску 10 MPa при 293 K
Механічні властивості
σВ σ0,2 δ ψ KIс (Jc) Kс
Хімічний склад
ВНЛ-1М,
mass.%
Термічна обробка
MPa % MPa m
0,045 C; 0,38 Si;
12,9 Cr; 7,8 Ni;
2,69 Mo; 0,43 Мn;
0,057 La
Гартування 1403 K,
3 h, повітря;
двократна обробка
холодом при 220 K,
5 h; відпуск 773 K, 3 h
1280
1180
1110
1050
20
9
63
21
98
–
135
58
Частину зразків витримували впродовж 2…4 h при 773 K у водні під тиском
5, 10 і 15 MPa, і після витримок його вміст CH, визначений хроматографічним
методом на приладі Leko TCH 600, становив 3,3; 4,9 і 7,6 wppm, відповідно. За
випробувань у водні робочу камеру вакуумували, продували воднем, повторно
105
вакуумували та заповнювали воднем до
тиску 10 MPa. Всі механічні характери-
стики визначали за кімнатної темпера-
тури. На короткочасний розтяг у повітрі
та водні випробовували стандартні
п’ятикратні циліндричні зразки із діа-
метром робочої частини 5 mm. Коефі-
цієнти статичної тріщиностійкості Κс та
KIс (Jc) визначали згідно зі стандартами
[5, 6] за триточкового згину балкових
зразків розмірами 10×20×100 mm та
втомною тріщиною завдовжки 9…11 mm.
Швидкість навантаження за статичних
випробовувань 0,1 mm/min.
Докритичний ріст тріщини у водні
досліджували за силовою схемою на-
вантаження двоконсольного балкового (ДКБ) зразка розміром 10×20×150 mm зі
сталим розкриттям та боковими V-подібними надрізами із кутом 60° і глибиною
1,5 mm, які фіксують тріщину в площині, перпендикулярній до прикладених на-
пружень, та забезпечують утворення плоскої деформації, необхідної для отри-
мання коректних значень KІ. Ненаводнені та заздалегідь наводнені зразки наван-
тажували у повітрі сталевим гвинтом за допомогою тарувального ключа зі швид-
кістю ~0,03 s–1 до значення КІН KI дещо меншого за значення KIс. Частину на-
вантажених зразків залишали у повітрі, а решту поміщали у камеру з воднем.
Останні періодично виймали та фіксували підростання тріщини з обох сторін за
допомогою інструментального мікроскопа з поділкою 0,01 mm. Довжина зразка
була достатня для повної зупинки тріщини і отримання порогових значень КІН
(H)
IthK . Така схема навантаження дала можливість одержати повну залежність KI
від довжини тріщини на одному зразку. База випроб 300 h.
Вплив водню на механічні властивості та статичну тріщиностійкість. У
повітрі міцність, пластичність та в’язкість руйнування високі (див. таблицю), що
характерно для старіючих мартенситних сталей із дрібнодисперсною структурою
(рис. 1) [4, 7]. Отримані на зразках завтовшки 10 mm значення Κс = 135 MPa m не
задовольняють умову автомодельності [5]. Тому необхідний для побудови КДВР
критичний КІН KIс, який відповідав би умовам плоскої деформації, визначали
методом J-інтеграла [8], а також обчислювали за формулою Ірвіна [9]: I= ×c cK K
2 1/ 2
I(1 1,4 )× + β c , де 2
I I 0,2(1/ )( / )β = σc ct K , t – товщина зразка, σ0,2 – границя теку-
чості. Експериментальні та розрахункові значення KІс у повітрі рівні відповідно
98 та 96 MPa m , причому в обох випадках вони задовольняють умови плоскої
деформації для використаних зразків [5, 9]. Так, βIс = 0,80 ≤ 1, (1/ )β = ×c t
2
0,2( / ) 1,66× σ = < πcK , отже, згідно з працею [9], формула Ірвіна дає змогу отри-
мати параметр KIс для сталі.
Раніше встановлено [10], що за короткочасного розтягу у повітрі зі зростан-
ням вмісту заздалегідь поглинутого водню від 3,3 до 7,6 wppm суттєво погіршу-
ються відносне видовження δ, поперечне звуження ψ та коефіцієнт тріщиностій-
кості Κс за майже незмінних характеристик міцності σВ і σ0,2. Газоподібний
водень під тиском 10 MPa додатково підсилює окрихчення і внаслідок спільної
дії внутрішнього і зовнішнього водню характеристики пластичності та в’язкість
руйнування знижуються у 2–3 рази. Наведені (див. таблицю) та раніше встанов-
Рис. 1. Мікроструктура сталі ВНЛ-1М.
Fig. 1. Microstructure of ВНЛ-1М steel.
106
лені [10] результати свідчать, що вплив водню на тріщиностійкість сталі ВНЛ-1М
зростає зі збільшенням його тиску та концентрації, загострення вершини тріщи-
ни, а також зі зменшенням швидкості навантаження, що узгоджується із відоми-
ми моделями, побудованими на взаємодії абсорбованого водню із полем напру-
жень попереду тріщини [11].
Експериментальна та розрахункова побудова кінетичних діаграм. У
повітрі розтріскування навантажених до значення КІН ~ 0,8…0,9 KIс (108…
120 MPa m ) вихідних та наводнених (CH = 7,6 wppm) зразків не відбувається. Ві-
домо, що швидкісний чинник суттєво впливає на параметр Κс сталі за наявності
водню [10]. Очевидно, швидкість попереднього навантаження у повітрі за вка-
заного вмісту водню надто висока для проростання тріщини, імовірно, через фор-
мування перед нею пластичної зони. Додаткова дія водню за тисків P = 5…15 MPa
ініціює водневе розтріскування заздалегідь наводнених ДКБ зразків, причому на
першій ділянці КДВР зі збільшенням P і С зменшується порогове значення КІН
(H)
IthK , а на другій – зростає швидкість докритичного росту тріщини v (рис. 2).
Співвідношення (1) добре описує залежність v від KІ, отриману експеримен-
тальним шляхом за різних тисків та концентрацій заздалегідь поглинутого водню
(рис. 2). Величини α і B обчислені (рис. 3) методом найменших квадратів за екс-
периментальними точками і розрахунковими кривими 1–3 (рис. 2):
( ) 0,323 0,01391= −B P P , 0,0998α = . (3)
Рис. 2. Fig. 2. Рис. 3. Fig. 3.
Рис. 2. Експериментальні ( , ▲, ) та аналітичні (суцільні лінії) КДВР зразків
після попереднього наводнення за режимами: 1 – 773 K, 5 MPa, 4 h (C = 3,3 wppm);
2 – 773 K, 10 MPa, 2 h (4,9 wppm); 3 – 773 K, 15 MPa, 2 h (7,6 wppm).
Fig. 2. Experimental ( , ▲, ) and analytical (solid lines) kinetic diagrams of hydrogen
crcaking of samples after previous hydrogenatin for conditions: 1 – 773 K, 5 MPa,
4 h (C = 3.3 wppm); 2 – 773 K, 10 MPa, 2 h (4.9 wppm); 3 – 773 K, 15 MPa, 2 h (7.6 wppm).
Рис. 3. Залежності коефіцієнтів ВС0 ( ) і В ( ) від тиску водню P.
Fig. 3. Dependences of BC0 ( ) and B ( ) coefficients on hydrogen pressure, P.
Якщо концентрація C0 заздалегідь поглинутого водню невідома, то визнача-
ємо добуток константи B на концентрацію C0 (рис. 3), який входить у співвідно-
шення (2):
0( ) 0,82325 0,005= +BC P P . (4)
У результаті рівняння швидкості росту тріщини одержані у такому вигляді
( ) ( )2 25 1( ) 1,332 10 0,09165 1 −− −λ = ⋅ λ λ − − λv за тиску P = 5 MPa; (5)
107
( ) ( )2 25 1( ) 1,332 10 0,0648 1 −− −λ = ⋅ λ λ − − λv за тиску P = 10 MPa; (6)
( ) ( )2 25 1( ) 1,332 10 0,038 1 −− −λ = ⋅ λ λ − − λv за тиску P = 15 MPa, (7)
де 2 2
I I/λ = cK K .
Розрахунок залишкової довговічності трубопроводу. Використовуючи
одержані результати, розраховуємо ресурс залишкової міцності товстостінної
труби, виготовленої зі сталі ВНЛ-1М, працюючої під тиском водню (P = 5 MPa)
за кімнатної температури (рис. 4). На внутрішній поверхні цієї труби знайдений
дефект у вигляді напівеліптичної тріщини. Необхідно визначити допустимий роз-
мір тріщини, за якого труба працюватиме заданий час.
Кільцеве напруження, яке діє в стінках труби, обчислили за формулою [1]
2
0
2 2
0 1
2 ,σ =
−
RP
R R
(8)
де P – тиск водню в трубі; R0 = 40 mm і
R1 = 18 mm – зовнішній і внутрішній радіу-
си труби, відповідно.
Під дією цього напруження і середови-
ща тріщина розповсюджується по товщині
стінки і виходить на зовнішню поверхню.
Коефіцієнт інтенсивності напружень ( )
I
AK в
точці найбільшої глибини (при α = π/2;
β = ab–1 = 0,7) рівний:
( ) 2
I 1,33 exp( 0,49 )= σ − ηAK a ,
1
0 1( )−η = −a R R . (9)
Визначимо безпечний a0 і критичний
acr розміри тріщини. Для цього підставляємо
у вираз (9) значення порогове (H)
IthK і кри-
тичне KІс – 25,9 і 98 MPa m , відповідно. В
результаті цього отримаємо безпечний a0 = 2 mm і критичний acr = 15 mm розмі-
ри тріщини.
Далі підставляємо вираз (9) у рівняння (5), що описує кінетику росту тріщи-
ни в сталі ВНЛ-1М заздалегідь наводненої під тиском P = 5 MPa, і проінтегрував-
ши його, побудуємо залежність довговічності роботи трубопроводу від величини
дефекту (рис. 5, крива 1). Процедуру повторюємо для інших значень тиску
(рис. 5, криві 2, 3).
Розрахунок залишкової довговічності газових балонів високого тиску. За-
пропонована методика використовувалася також для оцінки залишкового ресур-
су газових балонів високого тиску, досліджених у праці [9]. Вивчали декілька
газових балонів з номінальною товщиною стінки Т = 7,6 mm і діаметром 229 mm,
виготовлених зі сталі ВНЛ-1М. На їх зовнішній поверхні за допомогою електро-
іскрової установки навели гострі півеліптичні дефекти довжиною від 25 до 76 mm
різної глибини. Балони монотонно навантажували тиском води до руйнування.
Встановили, що початкова глибина півеліптичного поверхневого дефекту
а ~ 2,54…2,77 mm; довжина l ~ 25,4…30,5 mm. Кінцеві розміри дефекту такі:
а ~ 5,99…7,16 mm; l ~ 30,5… 35,6 mm, a тріщиностійкість 99,7 MPa m . Кільце-
ве напруження, за якого тріщина почала рости, 510…537 MPa.
Рис. 4. Схема товстостінного
трубопроводу.
Fig. 4. Scheme of a thick-walled pipe.
108
Рис. 5. Залежності довговічності труби
за різних тисків заздалегідь поглинутого
водню (1 – P = 5 MPa; 2 – 10 MPa;
3 – 15 MPa) та газового балона
(4 – P = 16 MPa) від глибини тріщини.
Fig. 5. Dependences of tubes durability at
different pressures of the previously absorbed
hydrogen (1 – P = 5 MPa; 2 – 10 MPa;
3 – 15 MPa) and the gas cylinder
(4 – P = 16 MPa) on the crack depth .
КІН для поверхневої тріщини визначають так:
I /= σ πK M a Q , (10)
де σ − прикладене напруження; а − глибина тріщини; Q = 1 + 1,464(a/c)1,65 − кое-
фіцієнт форми тріщини; l = 2c − довжина тріщини (30,5 mm); 2с – велика вісь пів-
еліптичної тріщини; M − поправний коефіцієнт на мембранне напруження (1,44),
який визначали зі співвідношення
M = [M1 + M2(a/T)2 + M3(a/T)4] gfθ;
M1 = 1,13 – 0,09(a/c), M2 = −0,54 + 0,89/(0,2 + a/c);
M3 = 0,5 – 1/(0,65 + a/c) + 14(1 − a/c) + 14(1 − a/c)24;
g = 1 + [0,1 + 0,35(a/T)2](1 – sinθ)2;
fθ = [(a/c)2cos2θ + sin2θ]1/4;
θ = π/2 (для інтенсивності напружень у найглибшій точці тріщини). (11)
Далі, підставляючи вирази (10), (11) у рівняння (2), що описує кінетику рос-
ту тріщини в сталі ВНЛ-1М у водні, і проінтегрувавши його, побудували залеж-
ність довговічності роботи газового балона від величини дефекту (рис. 5, крива 4).
Коефіцієнти α і B обчислювали за співвідношенням (3) за тиску P = 16 MPa.
Аналізуючи отримані результати (рис. 5), бачимо, що зі збільшенням тиску,
а відповідно і концентрації заздалегідь поглиненого за високих температур вод-
ню, у 2–3 рази понижується довговічність елементів конструкцій за тріщин гли-
биною в межах 2…6 mm. За глибших тріщин цей вплив не такий суттєвий.
ВИСНОВКИ
Побудовано КДВР литої мартенситної сталі ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) за різно-
го тиску зовнішньої водневої атмосфери та концентрації заздалегідь поглиненого
за високих температур водню, встановлено порогові значення КІН, розраховано
залишкову довговічність трубопроводу та газового балона високого тиску. По-
рівняння аналітичної КДВР з експериментальними результатами підтвердило ко-
ректність кінетичного співвідношення для прогнозування залишкової довговіч-
ності наводнених елементів конструкцій. Маючи значення α і B, можна описати
кінетику росту тріщини за будь-якого тиску та вмісту водню. Причому коефіці-
єнт α майже не змінюється зі зростанням тиску, а зміну B добре описує лінійне
співвідношення (3). Незалежність α від тиску водню знаходить своє фізичне по-
яснення. Згідно з модельним поданням, α визначає місце локального розтріску-
вання і жорстко пов’язана з розкриттям тріщини та залежить від структурного
стану досліджуваного матеріалу.
109
Вплив водню на параметр короткочасної статичної тріщиностійкості Kс сталі
ВНЛ-1М підсилюється зі збільшенням його тиску та концентрації, загострення
вершини тріщини, а також зі зменшенням швидкості навантаження. На першій
ділянці КДВР з ростом P і С знижується порогове значення коефіцієнта інтенсив-
ності напружень (H)
IthK , а на другій – зростає швидкість докритичного росту трі-
щини v.
РЕЗЮМЕ. Предложен теоретико-экспериментальный подход для прогнозирования
кинетики роста трещины и определения остаточной долговечности сосудов в газообраз-
ном водороде. Построены кинетические диаграммы водородного растрескивания (КДВР)
литой мартенситной стали ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) при разном давлении внешней водо-
родной атмосферы и концентрации предварительно поглощенного при высоких темпера-
турах водорода, установлены пороговые значения коэффициента интенсивности напряже-
ний (КИН), расчитана остаточная долговечность трубопровода и газового баллона высо-
кого давления. Установлено, что на первом участке КДВР с ростом давления и концентра-
ции водорода уменьшается пороговое значение КИН, а на втором – растет скорость до-
критического роста трещины.
SUMMARY. A theoretical and experimental approach for predicting the kinetics of crack
growth and determining the residual life of vessels in gaseous hydrogen was developed. Kinetic
diagrams of hydrogen cracking (KDHC) of the cast ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) martensitic steel
under different external pressure of hydrogen atmosphere and the concentration of pre-adsorbed
hydrogen at high temperatures were constructed, the thresholds stress intensity factors were
established, the residual life of a high pressure tank and a gas cylinder was calculated. It was
found that in the first section of KDHC with the hydrogen pressure and concentration increase
the threshold stress intensity factor decreases, and in the second – the speed of subcritical crack
growth increases.
1. Андрейків О. Є, Гембара О. В. Механіка руйнування та довговічність металевих мате-
ріалів у водневмісних середовищах. – К.: Наук. думка, 2008. – 343 с.
2. Панасюк В. В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. – К.: Наук. думка,
1991. – 416 с.
3. Фішгойт А. В., Колачев Б. А. Випробування на міцність у водні в аерокосмічній про-
мисловості // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 1997. – 33, № 4. – С. 151–154.
(Fishgoit A. V. and Kolachev B. A. Strength tests in hydrogen in the aerospace industry
// Materials Science. – 1997. – 33, № 4. – P. 568–573.)
4. Абрамович М. Д., Вотинов С. Н., Иолтуховский А. Г. Радиационное материаловедение
на АЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 136 с.
5. ГОСТ 25506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характе-
ристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. – М.:
Изд-во стандартов, 1985. – 61 с.
6. Standard Test Method for JIC. A Measure of Fracture Toughness ASTM STP E 813.
– 1989. – P. 732–746.
7. Балицький О. І., Іваськевич Л. М., Мочульський В. М. Механiчнi властивостi мартен-
ситних сталей у газоподiбному воднi // Проблеми міцності. – 2012. – № 1. – С. 89–99.
8. Іваськевич Л. М., Балицький О. І., Мочульський В. М. Вплив водню на статичну тріщи-
ностійкість жароміцних сталей // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2012. – 48, № 3.
– С. 78–86.
9. Рана М. Д. Экспериментальная проверка требований к трещиностойкости, обеспечи-
вающих возникновение утечки перед разрушением в газовых цилиндрах из стали с
пределом прочности 1068...1206 МПа // Теоретические основы инженерных расчетов.
Тр. амер. об-ва инж.-механиков. – 1988. – № 3. – С. 172–180.
10. Іваськевич Л., Мочульський В., Ленковський Т. Вплив водню на статичну тріщиностій-
кість литої сталі // Пр. Десятого міжнар. симп. інж.-механіків у Львові (25–27 травня
2011 р.). – Львів: ТЗОВ Кінпатрі ЛТД, 2011. – С. 98–99.
11. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Обухивский О. И. Расчетная модель роста трещины в метал-
лах при воздействии водорода // Физ.-хим. механика материалов. – 1984. – № 3. – С. 3–6.
Одержано 09.07.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134413 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0430-6252 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:04:58Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гембара, О.В. Іваськевич, Л.М. Мочульський, В.М. Чепіль, О.Я. 2018-06-13T12:15:53Z 2018-06-13T12:15:53Z 2012 Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні / О.В. Гембара, Л.М. Іваськевич, В.М. Мочульський, О.Я. Чепіль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 5. — С. 103-109. — Бібліогр.: 11 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134413 620.197.5: 669.788 Запропоновано теоретико-експериментальний підхід для прогнозування кінетики росту тріщини та визначення залишкової довговічності посудин у газоподібному водні. Побудовано кінетичні діаграми водневого розтріскування (КДВР) литої мартенситної сталі ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) за різного тиску зовнішньої водневої атмосфери та концентрації заздалегідь поглиненого за високих температур водню, встановлено порогові значення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН), розраховано залишкову довговічність трубопроводу та газового балона високого тиску. Встановлено, що на першій ділянці КДВР з ростом тиску і концентрації водню зменшується порогове значення КІН, а на другій – зростає швидкість докритичного росту тріщини. Предложен теоретико-экспериментальный подход для прогнозирования кинетики роста трещины и определения остаточной долговечности сосудов в газообразном водороде. Построены кинетические диаграммы водородного растрескивания (КДВР) литой мартенситной стали ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) при разном давлении внешней водородной атмосферы и концентрации предварительно поглощенного при высоких температурах водорода, установлены пороговые значения коэффициента интенсивности напряжений (КИН), расчитана остаточная долговечность трубопровода и газового баллона высокого давления. Установлено, что на первом участке КДВР с ростом давления и концентрации водорода уменьшается пороговое значение КИН, а на втором – растет скорость докритического роста трещины. A theoretical and experimental approach for predicting the kinetics of crack growth and determining the residual life of vessels in gaseous hydrogen was developed. Kinetic diagrams of hydrogen cracking (KDHC) of the cast ВНЛ-1М (05Х13Н8М3) martensitic steel under different external pressure of hydrogen atmosphere and the concentration of pre-adsorbed hydrogen at high temperatures were constructed, the thresholds stress intensity factors were established, the residual life of a high pressure tank and a gas cylinder was calculated. It was found that in the first section of KDHC with the hydrogen pressure and concentration increase the threshold stress intensity factor decreases, and in the second – the speed of subcritical crack growth increases. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні Прогнозирование кинетики роста трещины и остаточной долговечности сосудов в газообразном водороде Prediction of crack propagation kinetics and durability of vessels in gaseous hydrogen Article published earlier |
| spellingShingle | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні Гембара, О.В. Іваськевич, Л.М. Мочульський, В.М. Чепіль, О.Я. |
| title | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні |
| title_alt | Прогнозирование кинетики роста трещины и остаточной долговечности сосудов в газообразном водороде Prediction of crack propagation kinetics and durability of vessels in gaseous hydrogen |
| title_full | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні |
| title_fullStr | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні |
| title_full_unstemmed | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні |
| title_short | Прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні |
| title_sort | прогнозування кінетики росту тріщини та залишкової довговічності посудин у газоподібному водні |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134413 |
| work_keys_str_mv | AT gembaraov prognozuvannâkínetikirostutríŝinitazališkovoídovgovíčnostíposudinugazopodíbnomuvodní AT ívasʹkevičlm prognozuvannâkínetikirostutríŝinitazališkovoídovgovíčnostíposudinugazopodíbnomuvodní AT močulʹsʹkiivm prognozuvannâkínetikirostutríŝinitazališkovoídovgovíčnostíposudinugazopodíbnomuvodní AT čepílʹoâ prognozuvannâkínetikirostutríŝinitazališkovoídovgovíčnostíposudinugazopodíbnomuvodní AT gembaraov prognozirovaniekinetikirostatreŝinyiostatočnoidolgovečnostisosudovvgazoobraznomvodorode AT ívasʹkevičlm prognozirovaniekinetikirostatreŝinyiostatočnoidolgovečnostisosudovvgazoobraznomvodorode AT močulʹsʹkiivm prognozirovaniekinetikirostatreŝinyiostatočnoidolgovečnostisosudovvgazoobraznomvodorode AT čepílʹoâ prognozirovaniekinetikirostatreŝinyiostatočnoidolgovečnostisosudovvgazoobraznomvodorode AT gembaraov predictionofcrackpropagationkineticsanddurabilityofvesselsingaseoushydrogen AT ívasʹkevičlm predictionofcrackpropagationkineticsanddurabilityofvesselsingaseoushydrogen AT močulʹsʹkiivm predictionofcrackpropagationkineticsanddurabilityofvesselsingaseoushydrogen AT čepílʹoâ predictionofcrackpropagationkineticsanddurabilityofvesselsingaseoushydrogen |