Влияние перегрузок на скорость роста усталостных дефектов магистральных трубопроводов

В работе рассмотрена проблема оценки прочности и остаточного ресурса тонкостенных конструкций, в частности магистральных трубопроводов, работающих в режиме малоциклового нагружения. Основное внимание уделено влиянию двухосного напряженного состояния на рост поверхностныхполуэллиптических усталостных трещин. Представлены результаты экспериментальных исследований на крестообразных образцах из стали 20 с использованием специализированного нагружающего приспособления, позволяющего реализовать три режима: двухосное растяжение, растяжениесжатие и одноосное растяжение. Показано, что знаккоэффициента двухосности является определяющим: положительный коэффициент ускоряет рост трещины за счет активизации хрупкого отрыва, тогда как отрицательный (растяжение-сжатие) тормозит разрушение вследствие развития пластических деформаций и накопления сжимающих остаточных напряжений. На основе конечно-элементногомоделирования разработана упругопластическая модель, разделяющая две зоны у вершины трещины – зону охрупчивания и зону сдвиговой пластичности. Предложены количественные параметры для описания скорости роста трещиныпри двухосном нагружении, верифицированные экспериментально. Отдельно рассмотрен механизм формированияостаточных напряжений при циклическом нагружении «нагрузка-разгрузка». The paper addresses the issue of strength and residual life asses-sment of thin-walled structures, in particular, main pipelinesoperating under low-cycle loading conditions. Primary attentionis paid to the influence of biaxial stress state on the growth of semiellipticalsurface fatigue cracks. The paper features the resultsof experimental studies on cross-shaped samples made of grade20 steel using a specialized loading device with three available operatingmodes: biaxial tension, tension-compression, and uniaxialtension. It is shown that the sign of the biaxiality coefficient has adecisive impact: a positive coefficient accelerates crack growth byactivating brittle fracture, and a negative (tension-compression) coefficient inhibits destruction due to the development of plasticdeformations and the accumulation of compressive residualstresses. An elastic-plastic model was developed based on finiteelement modeling, separating two zones at the crack apex –the embrittlement zone and the shear-yielding zone. Experimentallyverified quantitative parameters for describing the crackgrowth rate under biaxial loading are suggested. The mechanismof residual stress formation under “load-unload” cyclic loadingis discussed separately.