7.3 Требования к исходным данным
7.3.1 Общие положения
Для выполнения расчета давления пластического разрушения тела трубы необходимы следующие исходные данные:
- глубина несовершенства, сопоставимая с конкретным уровнем приемки, т.е. наибольшая глубина несовершенства типа трещины, которая может быть принята системой контроля как допустимое несовершенство, мм. Так, при контроле труб толщиной стенки 12,7 мм с уровнем приемки 5% равна 0,635 мм;
- номинальный наружный диаметр трубы, мм;
- заданный минимальный предел прочности при растяжении, МПа;
- коэффициент прочности при разрушении, полученный по результатам испытаний и равный 1,0 - для труб из стали L80 тип 13Cr после закалки и отпуска (с мартенситной структурой) и 2,0 - для труб после прокатки и нормализации; при отсутствии результатов испытаний принимается равным 2,0. Значение коэффициента для конкретного металла трубы может быть установлено при проведении испытания;
- коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5%;
- коэффициент упрочнения для кривой истинного напряжения-деформации, полученной при испытании на одноосное растяжение (см. В.2.3.3, приложение В);
- номинальная толщина стенки трубы, мм.
7.3.2 Определение коэффициента упрочнения
При отсутствии информации о напряжениях и деформациях коэффициент выбирают из таблицы 2.
Таблица 2 - Рекомендуемые значения коэффициента упрочнения для формулы проектного давления пластического разрушения
Группа прочности | |
Н40 | 0,14 |
J55 | 0,12 |
K55 | 0,12 |
М65 | 0,12 |
K72 | 0,11 |
N80 | 0,10 |
L80 тип 1 | 0,10 |
L80 тип 9Cr, L80 тип 13Cr | 0,10 |
С90 | 0,10 |
R95 | 0,09 |
Т95 | 0,09 |
Р110 | 0,08 |
Q125 | 0,07 |
Q135 | 0,06 |
Если группа прочности материала неизвестна, но материал не подвергается значительному упрочнению, то коэффициент может быть определен по следующей формуле
, (13) где - коэффициент упрочнения для кривой истинного напряжения-деформации, полученной при испытании на одноосное растяжение (см. В.2.3.3, приложение В);
- коэффициент пересчета напряжений, равный 1,18·10 МПа ;
- предел текучести представительного образца при растяжении, МПа.
Формула проектного давления пластического разрушения труб сравнительно мало зависит от коэффициента . Однако при использовании материала со значительным упрочнением, такого как двухфазные стали, необходимо определить точнее, чтобы избежать завышенного прогноза стойкости к пластическому разрушению. Для таких материалов значения могут достигать 0,30.
7.3.3 Определение коэффициента прочности при разрушении
7.3.3.1 Общие положения
Этот коэффициент характеризует влияние вязкости металла на пластическое разрушение при наличии трещины глубиной . Нет необходимости определять этот коэффициент для каждого заказа, достаточно определить его для определенного технологического варианта труб, изготовляемых по определенному плану контроля процесса. Для материала с высокой вязкостью коэффициент равен 1,0 или менее и влияние трещины на давление пластического разрушения будет не больше, чем глубина самой трещины. Однако для материала с пониженной вязкостью коэффициент может быть равен 2,0 и влияние трещины становится таким, как будто трещина имеет глубину, вдвое превышающую фактическую.
Если значение для материала не определялось, его можно принять равным 2,0. Установлено, что равно 1,0 для труб с мартенситной структурой, подвергнутых закалке и отпуску, и для сталей типа 13Сr. Значение коэффициента может быть установлено для конкретного материала при испытании. Для расчета может быть использован один из двух методов, приведенных далее.
7.3.3.2 Аналитический метод определения
Рекомендуется следующая процедура:
a) Создают модель конечных элементов (МКЭ) трубы для трех разных значений глубины трещины: 0%, 5% и 12,5% номинальной толщины стенки. Трещину моделируют как продольную трещину бесконечной длины на внутренней поверхности трубы. В модели рассматривают номинальную толщину стенки трубы (без учета эксцентриситета) и типичную кривую напряжение-деформация для рассматриваемой группы прочности.
b) Модель МКЭ используют для имитации приложения внутреннего давления с целью расчета J-интеграла в функции от внутреннего давления (стандарт [3], примеры в В.7.2, приложение В).
c) Экспериментальным путем находят критическое значение стойкости металла к разрушению в воздушной среде для группы прочности труб. представляет собой параметр, определяемый по методу испытания, приведенному в стандарте [4].
d) Каждую кривую конечного элемента J-интеграла заканчивают при критическом значении , измеренном экспериментально. Внутреннее давление, соответствующее этой конечной точке, в которой J-интеграл равен , представляет собой давление разрушения при наличии трещины в металле с вязкостью, характеризуемой .
e) Давление разрушения для металла с трещиной, глубина которой составляет 5%, делят на давление разрушения для металла без трещины, используя для этого результаты моделирования МКЭ и измерения . Затем полученное соотношение приравнивают к 
, где - отношение глубины трещины к заданной толщине стенки трубы, например в данном случае 5%. Из этой формулы находят значение коэффициента прочности при разрушении .
, где - отношение глубины трещины к заданной толщине стенки трубы, например в данном случае 5%. Из этой формулы находят значение коэффициента прочности при разрушении . f) Расчет повторяют с результатами, полученными по МКЭ для трещины глубиной 12,5%.
g) Находят среднее значений для значений, полученных по перечислениям е) и f), и используют его в формуле проектного давления разрушения.
7.3.3.3 Экспериментальный метод определения
Вместо измерения и расчета методом конечных элементов можно определить , проведя испытания на разрушение трубы без несовершенства типа трещины, трубы с несовершенством глубиной 5% и глубиной 12,5%. Затем необходимо установить соотношение давлений разрушения, как описано в 7.3.3.2, перечисление е), и рассчитать . Трудность при таком подходе заключается в том, что результат будет некорректным при недостаточной острой форме несовершенства. Надрез, выполненный механическим или электроэрозионным способом, не пригоден для этой цели. Несовершенство типа трещины необходимо создать в процессе изготовления трубы или путем создания усталостной трещины. В целом МКЭ в сочетании с измерением является более легко осуществимым методом.
7.3.3.4 Чувствительность
Коэффициент мало зависит от группы прочности трубы и в основном зависит от технологического процесса, а при постоянстве процесса меняется слабо. Это связано с тем, что представляет лишь потенциальное усиление стойкости трубы к наличию трещины при нагружении до разрушения. По этой причине рекомендуется определять только для конкретной группы прочности, а не для конкретных размеров труб или заказов.
7.4 Формулы проектного давления пластического разрушения тела трубы с торцевым уплотнением
Минимальное внутреннее давление при пластическом разрушении трубы с торцевым уплотнением , МПа, вычисляют по следующей формуле
, (14) где - поправочный коэффициент, учитывающий деформацию трубы и деформационное упрочнение металла, равный 
;
; - коэффициент упрочнения для кривой истинного напряжения-деформации, полученной при испытании на одноосное растяжение (см. В.2.3.3, приложение В);
- заданный минимальный предел прочности при растяжении, МПа;
- коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5%;
- номинальная толщина стенки трубы, мм;
- коэффициент прочности при разрушении, полученный по результатам испытаний и равный 1,0 - для труб из стали L80 тип 13Сr после закалки и отпуска (с мартенситной структурой) и 2,0 - для труб после прокатки и нормализации; при отсутствии результатов испытаний принимается равным 2,0. Значение коэффициента для конкретного металла трубы может быть установлено при проведении испытания;
- глубина несовершенства, сопоставимая с конкретным уровнем приемки, т.е. наибольшая глубина несовершенства типа трещины, которая может быть принята системой контроля как допустимое несовершенство, мм. Так, при контроле труб толщиной стенки 12,7 мм с уровнем приемки 5% равна 0,635 мм;
- номинальный наружный диаметр трубы, мм.
По выбранному значению рассчитывают среднее значение внутреннего давления при пластическом разрушении трубы с торцевым уплотнением , прогнозируемого в соответствии с условиями текучести по Треску и по фон Мизесу.
Коэффициент учитывает минимальное отклонение толщины стенки трубы без учета несовершенств. Это значение может быть откорректировано, если другая минимальная толщина стенки обеспечивается технологическим процессом или требованиями поставки.