ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

 

Л.В. ЛЫСЕНКО, В.В. ТРАВИН

 

 

 

 

АННОТАЦИЯ

 

В статье рассмотрены вопросы применения титановых сплавов в ответственных элементах энергетического оборудования. Проблема состоит в практической реализации их преимуществ перед традиционными материалами. При этом необходимо   преодолеть такие их специфические свойства, как особый характер деформирования, анизотропия, химическая активность, повышенная чувствительность к концентраторам и состоянию поверхности, низкие диссипативные и триботехнические свойства и другое. В работе обобщен опыт расчетно-экспериментальных исследований и эксплуатации корпусных конструкций, роторных систем, элементов проточных частей, крепежа из свариваемых титановых сплавов повышенной прочности. Рассмотрены вопросы оценки прочности и несущей способности конструкции с учетом зависимости диаграмм деформирования материала от соотношений компонентов тензоров напряжений. Высказаны предложения по практическому использованию деформационных критериев разрушения.

 

  Ключевые слова:  свариваемые сплавы, прочность, энергетическое машиностроение,  упругость, пластика,  анизотропия, испытания, эксплуатация,  деформационный критерий.

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Проектирование современного сложного энергетического оборудования предполагает поиск оптимального варианта конструкции. Одним из важнейших показателей оптимальности является высокая мощность энергетических установок при минимальных массогабаритных характеристиках. Рост удельной мощности машины ограничивается, как правило, надежностью. Концепция надежности предусматривает единство и взаимную обусловленность трех системных направлений (основ): материалов, конструкции и технологии рабочих тел. Для деталей и узлов из титановых сплавов данная концепция приобретает особый смысл, поскольку взаимное влияние указанных основ имеет достаточно интенсивный характер /1/. В частности, повышенная чувствительность титановых сплавов к концентраторам напряжений (деформаций) требует обеспечивать плавность переходов поверхностей, исключать жесткие концентраторы или переносить их в зоны малых растягивающих или умеренных сжимающих напряжений.

 Вязкость разрушения высокопрочного свариваемого титанового сплава (ВСТС) в отожженном состоянии в агрессивной среде значительно снижается при температурах рабочего тела, соответствующих концу теплового процесса в паровой турбине. Это требует либо применения в деталях зоны влажного пара сплавов средней прочности, либо отказа от полного их отжига после сварки, либо снижения уровня напряжений конструктивными мерами.

Экспериментальные исследования и эксплуатационная практика показали, что высоконагруженные детали и узлы машин вполне способны обеспечивать заданные надежность и ресурс при ограниченных пластических деформациях в отдельных зонах – зонах больших градиентов условно упругих напряжений.

 

2. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

 

2.1. ОСОБЕННОСТИ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

 

Особенностью высокопрочных свариваемых титановых сплавов, имеющих ²псевдо - a² структуру, является заметное отклонение диаграммы деформирования, s-e, от линейной функции при напряжениях  60% и более от предела текучести, рис.1.Такой характер поведения материала необходимо учитывать и использовать при конструировании. В тех случаях, когда повышенные напряжения имеют место в протяженных областях детали, возможны увеличенные перемещения. Последние могут проявляться в нарушении зазоров, изменении схем нагружения и закрепления, а также – в разупрочнении вследствие больших деформаций.

Локальные зоны больших градиентов напряжений могут рассматриваться с иных позиций. Указанный эффект (ранее отклонение от линейности деформирования) здесь может сыграть положительную роль. Перераспределение потоков импульса (силовых потоков) приведет к выравниванию поля напряжений: разгрузке наиболее нагруженных слоев с одновременной догрузкой менее нагруженных. Иллюстрация сказанного результатами МКЭ - анализа приведена на рис.2. Здесь изображены поля интенсивности напряжений в условиях плоского напряженного состояния с учетом реального характера деформирования, см. рис. 2а, и без учета такового (линейная зависимость s-e), см. рис. 2б.

 

 

а)

б)

 

Изолинии  напряжений, МПа, в элементе корпусной конструкции.

 

а) Упруго – пластический расчет.                          б) Упругий расчет

Рис. 2

 

Результат расчетного исследования был сопоставлен с результатом эксперимента на полномасштабной физической модели. В эксперименте была достигнута локальная пластическая деформация до 0,5%. При обработке экспериментальных данных, переход от измеренных условно-упругих напряжений к реальным упруго-пластическим, осуществлялся с учетом упругих и пластических свойств материала конкретной заготовки и с привлечением соотношений деформационной теории пластичности Генки-Ильюшина. Различие результатов, полученных тем и другим методами в местах максимальных градиентов, не превысило 7%. Но основной итог эксперимента состоял в обосновании допустимости ограниченной пластической деформации в зонах концентрации в условиях плоского напряженного состояния.

 

2.2. РАЗЛИЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЯЖЕНИЮ И СЖАТИЮ

 

Существенным резервом несущей способности конструкции из титановых сплавов является лучшая сопротивляемость их сжимающим усилиям, нежели растягивающим. Согласно данным ЦНИИ КМ ²Прометей² разница пределов текучести на растяжение,  и на сжатие , может достигать 15% и более, рис.3.

Для учета S–D эффекта в расчетах упруго-пластического деформирования был доработан ²ответственный за пластику² раздел используемой МКЭ – системы. Расчетные исследования, выполненные с учетом S–D эффекта, показали, что несущая способность элементов конструкции вне зон концентрации заметно возрастает, рис.4. Что касается зон концентрации, то повышение в них уровня сжимающих упругих напряжений может в ряде случаев благоприятно влиять на усталостную прочность детали.

 

 

 

Схема нагружения и изолинии напряжений

;

 

Повышение предельной нагрузки балочной конструкции,
         работающей на чистый изгиб вследствие  S – D эффекта

Рис.4

 

По этой причине неизбежные в реальных деталях машин резкие переходы поверхностей, изменения форм и прочие жесткие концентраторы следует по возможности располагать в зонах преобладания сжимающих напряжений. В частности, радиус галтели направляющей лопатки осевого компрессора с выпуклой ее стороны может быть уменьшен без снижения прочности, рис.5, что предпочтительно с точки зрения газодинамики. Как правило, наличие в конструкции концентраторов  с эффективным коэффициентом концентрации  больше 3,2 – признак недостаточного ее совершенства. Весьма эффективным способом повышения местной прочности деталей, особенно при переменных нагрузках, является поверхностное пластическое упрочнение зоны концентратора. В этой связи следует отметить гидро – дробеструйную обработку поверхностей, накатку роликами, применение многобойкового инструмента.

 

 

2.3. АНИЗОТРОПИЯ СВОЙСТВ

 

Высокопрочные свариваемые титановые сплавы, имеющие в своей структурной основе a - фазу с гексагональной плотноупакованной решеткой,  могут обладать значительной анизотропией свойств. Наиболее важной является анизотропия упругих свойств, линейного расширения и прочностных характеристик. Особенности проявления анизотропии упругих свойств можно показать на примере деформирования в поле центробежных сил турбинного диска, изготовленного из прокатного листа. С экономической точки зрения изготовление дисков из листовой заготовки является привлекательным. Вопрос в том, в какой степени отклонения от круглой формы скажется на эксплуатационных свойствах колеса и ротора в целом.  Расчетное исследование задачи о вращении диска из листа титанового сплава было выполнено методом конечных элементов на модели двухвенечного колеса регулирующей ступени конкретной паровой турбины. Модель была составлена из объемных ортотропных конечных элементов. Разница модулей упругости вдоль и поперек направления прокатки составляла 9,5%. При вращении с рабочей скоростью диск принял эллиптическую форму с радиальными перемещениями по осям ортотропии  0,212% и 0.188% от радиуса недеформированного диска. В данном случае это существенно нарушило окружную равномерность радиального зазора и повысило вибрационную активность ротора. Анизотропия свойств привела также к заметному, до 15%, перераспределению напряжений в средней части колеса. Таким образом, использование заготовки из листа для ответственного высоконагруженного диска проблематично. Тем не менее, когда напряжения в диске невелики, а радиальные зазоры не ограничиваются, использование листовых заготовок отнюдь не исключается.

С точки зрения обеспечения прочности корпусных конструкций целесообразна такая ориентация заготовок из текстурированного материала, при которой направление наибольшего сопротивления растяжению (сжатию) совпало бы с направлением главных напряжений  . В сложных конструкциях обеспечить оптимальную ориентацию практически невозможно. Достижение же удовлетворительного результата, тем более – исключение худшего вполне осуществимо. Например, рационален корпус, воспринимающий значительную осевую нагрузку, изготовленный из колец, вырезанных из листа с базисной текстурой и сваренных между собой торцами. В этом случае направление нормали к плоскости прокатки, в котором прочность заготовок максимальная, совпадает с направлением оси корпуса. В том случае, когда цилиндрический сосуд воспринимает давление среды, рациональна его обечайка, сваренная из колец, свальцованных из листа или из раскатных колец. В этом случае к направлению определяющего прочность главного напряжения приближено направление прокатки.

 

2.4. ДИССИПАТИВНЫЕ СВОЙСТВА. СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

 

Известно, что по своей природе титановые сплавы обладают низкой демпфирующей способностью. В частности, логарифмический декремент колебаний ВСТС при напряжениях, меньших 50 МПа, не превышает 0,1%. Декремент титановой турбинной лопатки, жестко закрепленной в хвостовике, составляет 0,5%...0,9%. По этой причине для снижения резонансных напряжений в газодинамических решетках с лопатками из титанового сплава должны предусматриваться конструктивные демпферы. В качестве таковых можно упомянуть специальные хвостовые крепления, демпферные проволочные связи, контактирующие поверхности бандажных и антивибрационных полок. Для надежной работы поверхностей в условиях сухого трения требуется их специальная подготовка. Хорошие результаты дает регулирование поверхностных свойств методом микродугового оксидирования /2/.

Микродуговое оксидирование положительно зарекомендовало себя и в резьбовых элементах силового крепежа. Оно не создает толстого слоя, обеспечивает стабильный малый по величине коэффициент трения, сохраняет свойства после большого количества переборок. Стабилизации свойств резьбовых соединений способствует их предварительная тренировка.

 

3. ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ПО ДЕФОРМАЦИЯМ

 

3.1. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ПОДХОД

 

Важнейшей задачей проектирования является оценка прочности конструкции, которая определяется сравнением реализуемого в эксплуатации напряженно-деформированного состояния (НДС) с предельным. В случае одноосного и близких к нему случаях сложного нагружения, оценка предельного состояния производится по традиционным механическим характеристикам, полученным на разрывных образцах. Если же НДС существенно отличается от одноосного, то для оценки предельного состояния используются гипотезы об определяющем влиянии на процесс разрушения ограниченного количества некоторых факторов.

Для рассматриваемой группы титановых сплавов удовлетворительные результаты дает, в частности, гипотеза о наибольшей ответственности за разрушение интенсивности напряжений. При этом полагается, что диаграмма деформирования в координатах ²интенсивность напряжений - интенсивность деформаций² совпадает с диаграммой одноосного растяжения.

Позиция авторов состоит в том, что предельное состояние определяется физико-механическими свойствами материала конструкции, зависящими от соотношения компонентов тензоров напряжений и деформаций при данном конкретном НДС. Обоснованием тому служат, в частности, результаты опытов по растяжению образцов с концентраторами напряжений, рис.6. Наличие стеснения деформаций в концентраторе, где реализуется объемное напряженное состояние, повышает прочность образцов за счет снижения их пластичности. При оценке прочности по напряжениям запас с учетом указанного эффекта возрастает. Увеличение запаса по напряжениям в условиях объемного НДС не всегда означает повышение надежности детали. Дело в том, что в этих условиях может резко уменьшаться запас по деформациям.

Напряженное состояние в концентраторах характеризуется большими градиентами напряжений. По этой причине вышеприведенные данные следует рассматривать как обобщенные, полученные в условиях конкретного образца с большой неоднородностью формы. Для расширения области использования исследуемого явления авторами были проведены испытания образцов типа прорывных мембран. Под действием давления жидкости плоская мембрана изгибается, вытягивается, принимая форму сферического сегмента и, наконец, разрушается. При этом материал в центральной части образца работает в условиях плоского напряженного состояния с равными друг другу радиальными и тангенциальными напряжениями. По результатам испытаний было установлено возрастание предела прочности до 20% при снижении относительного удлинения. Испытания подтвердили зависимость диаграммы деформирования от типа НДС.

Научные исследования и инженерная практика доказывают возможность безотказной эксплуатации конструкций при наличии в них зон пластического деформирования. Практически все реальные машины и аппараты, работающие при нормативных запасах, имеют области упруго-пластического деформирования. Если в них нет протяженных пластических зон, то всегда присутствуют концентраторы напряжений (деформаций): геометрические, силовые, структурные. Оценка прочности при упругом и тем более – упруго – пластическом деформировании была бы более строгой, если бы учитывала зависимость деформирования от НДС. В связи с этим представляется перспективным внедрение в инженерную практику деформационных критериев разрушения (ДКР). В последние годы российскими и зарубежными исследователями были созданы основы практического использования ДКР в прочностных расчетах. В зависимости от характера нагружения различают деформационные критерии при статическом и циклическом нагружении. В зависимости от характера разрушения – при вязком, квазихрупком и хрупком разрушениях. При статическом нагружении и вязком характере разрушения предельное состояние по ДКР наступает при

,                                                                                                             ( 1 )

где                              ;

либо при

                                   ,                                                                                                            ( 2 )

где                              .

В этих формулах - эквивалентная деформация, принимаемая равной интенсивности деформаций;   и   - полные деформации, равномерная и разрушающая;   и   - относительные сужения, равномерное и предельное.

При использовании ДКР принципиально важно учитывать зависимость диаграмм деформирования от соотношения компонентов тензора напряжений. Только в этом случае можно корректно определить равномерную и разрушающую деформации. Проблема широкого практического применения деформационных критериев состоит в том, что представительные справочные данные имеются главным образом для одноосного растяжения. Данные испытаний на сжатие, кручение являются гораздо более редкими. Систематизированные результаты испытаний при плоском и объемном НДС практически отсутствуют. Тем не менее, по имеющимся данным испытаний при ограниченном количестве НДС (растяжение, сжатие, кручение, плоское состояние, растяжение образцов с концентраторами) можно получить функции деформирования для промежуточных состояний. Авторами предлагается количественной характеристикой, по которой выбирается конкретная функция, считать ²коэффициент мягкости² /3/, выраженный в следующей форме:

                                   ,                     ( 3 )

где              - интенсивность напряжений;

 - эквивалентное напряжение по критерию наибольших линейных деформаций

Графическое представление поверхности деформирования в координатах  изображено на рис.7. Следует отметить, что наибольшее влияние НДС на форму кривой деформирования проявляется при  ® 0, то есть в области  большого стеснения деформаций.

Согласно предлагаемому подходу расчет НДС и определение предельного состояния следует выполнять с учетом поведения материала в пластической области, используя диаграмму деформирования, соответствующую данному значению коэффициента мягкости. Последний сам зависит от НДС и неизвестен до решения упруго-пластической задачи. Таким образом, метод решения требует выполнения приближений к искомой точке поверхности деформирования в двух направлениях: в плоскости   при фиксированном    и вдоль координатной оси  . Объем расчетных работ при этом достаточно велик, поэтому данный метод ориентирован на современные высокопроизводительные вычислительные средства.

После решения упруго-пластической задачи по определению напряжений и деформаций производится расчет и сопоставление эквивалентной деформации с предельной деформацией согласно формулам ( 1 ) или ( 2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ КРИТЕРИЕВ РАЗРУШЕНИЯ

 

Преимущества деформационных критериев разрушения связаны в первую очередь с учетом в них реальных характеристик деформирования материалов, благодаря этому внедрение их в проектирование позволит наиболее полно использовать резервы сопротивляемости материалов в конкретных конструкциях /4/. Применение ДКР дает возможность существенного снижения материалоемкости за счет рациональной организации  потоков импульса (силовых потоков) при допущении в отдельных зонах пластических деформаций.

Для практического использования какого-либо критерия разрушения конструктору необходимо знать величину запаса – отношение предельного значения фактора, определяющего прочность, к максимальному значению его в условиях эксплуатации.

Величина запаса зависит от разброса характеристик материала, неточного знания действующих нагрузок, отклонения размеров, наличия неизвестных остаточных напряжений и дефектов, погрешностей определения напряжений и деформаций. Запасы по напряжениям, долговечности, количеству циклов нагружений приведены в отраслевых нормативных материалах. В зависимости от назначения и ответственности изделий, культуры проектирования и производства, величины запасов могут существенно различаться. Для установления нормативных запасов по деформациям при статическом  нагружении с учетом зависимости диаграммы деформирования от НДС в настоящее время отсутствует достаточный объем статистических данных.

Авторы считают, что величины запасов по деформациям должны зависеть от степени стеснения деформаций – типа НДС. В качестве предварительных ориентировочных величин предлагается запас по разрушающей деформации для плоского напряженного состояния 10 – 12, а для объемного 5 – 8.

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

С учетом изложенных особенностей широкое применение высокопрочных титановых сплавов в элементах энергетического оборудования в значительной степени способствует повышению экономичности, надежности и ресурса.

Использование в проектировании фактически реализуемых деформационных характеристик титановых сплавов существенно повышает достоверность оценки состояния конструкции в упруго – пластической области.

Внедрение в инженерную практику деформационных критериев разрушения способствует повышению прочности машин при снижении их массы и габаритов.

 

5. ЛИТЕРАТУРА

 

1.        Л.В. ЛЫСЕНКО, В.В. ТРАВИН : ²О прочном корпусе для автономных глубоководных энергетических установок², Материалы российской конференции ²Автономная и нетрадиционная энергетика², Институт проблем морских технологий, Владивосток, 1998, с.39 – 40.

2.        Л.В. ЛЫСЕНКО, В.Ф. ЩЕРБИНИН, В.К. ШАТАЛОВ: Энерготехнологические свойства титана и его сплавов в безводных средах, Изд-во МГТУ им. Н.Е. Баумана, Москва, 1998, 111с.

3.        В.В. ТРАВИН, Л.В. ЛЫСЕНКО: ²Оценка силовых элементов конструкций по деформационному критерию прочности², Материалы научно-технической конференции ²Социально экономические проблемы управления производством, создание прогрессивных технологий, конструкций и систем в условиях рынка², Калуга, 1995, с.201.

4.       Н.А. МАХУТОВ: Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность, Машиностроение, Москва, 1981, 272с.