Оценка циклической прочности термозащитного покрытия канала трубы при термосиловом нагружении

Исследованию стойкости теплозащитного гальванического покрытия каналов труб газодинамических импульсных устройств (ГИУ), испытывающих в процессе баллистической жизни комплекс термосилового нагружения продуктами горения (ПГ), посвящено ряд исследований, в том числе и авторских [1 – 5]. Так, в статье [1] приводится анализ численного решения одномерного уравнения теплопроводности цилиндрической стенки, имеющей теплозащитное покрытие (ТЗП), нагружаемого кратковременным высокотемпературным тепловым им- пульсом. Для стального толстостенного цилиндра из легированной конструкционной стали с хромовым защитным покрытиям определены условия нагружения, приводящие к перегреву металла основы до критических условий, приводящих к полиморфным превращениям, способствующим разрушению адгезионного слоя. В работах [2 – 4] на базе численных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) модели теплозащитного гальванического ТЗП трубы установлен знакопеременный характер НДС в условиях функционирования ГИУ. Разработан механизм деструкции ТЗП при тер-

EDN VPGMMG

мосиловом нагружении. Подробное исследование НДС деструктурированного покрытия проведено в работе [5] путем решения контактной задачи при врезании пояска в нарезную часть канала трубы. В результате получены картины распределения напряжений в покрытии, которые дополняют полученные ранее результаты при термосиловом нагружении трубы продуктами горения.

Многократное нагружение трубы ГИУ в условиях функционирования приводит к растрескиванию и последующему сходу ТЗП с поверхности канала трубы. Проведенные эксперименты [6 – 8] показывают высокую адгезию ТЗП (на уровне прочности основного металла), полученного гальваническим способом, а также очевидный характер усталостного разрушения, при циклическом нагружении, составляющем сотни, иногда тысячи циклов.

Исходя из проведенных исследований [1 – 5] установлено, что различные участки трубы нагружены неравномерно. Наиболее нагруженным участком является расположенный в поперечном сечении, совпадающем с переходом конической части канала в цилиндрическую. Здесь поверхность канала, нагруженная значительными по величине контактными напряжениями в одном цикле, последовательно подвержена наибольшему воздействию продуктов горения – давлению и температуре. Так как особенностью данного участка является наличие концентраторов напряжений, связанных с приложением местной нагрузки от пояска, соединения стали с хромовым покрытием с различными модулями упругости E ст ^T , E хр ^T и температурными коэффициентами расширения α ст ^T , α хр ^T , трещин в хромовом покрытии и перепада температур, то возникают повышенные циклические местные напряжения.

В работе [5] приведены результаты расчета приведенных напряжений в покрытии, из которых следует, что за один цикл нагружения напряжения в ТЗП дважды достигают наибольших (наименьших) значений. Первый максимум в цикле нагружения наблюдается при врезании обтюрирующего пояска в заходный конус канала трубы; здесь напряжения под поверхностью покрытия достигают значений 780 МПа. Наибольшие напряжения – тангенциальные положительные имеют примерно такое же значение. Наибольшее значение омах = 1320 МПа (под покрытием омах = 1054 МПа) достигаются в результате теплового потока, действующего со стороны продуктов горения, причем их высокие значения обусловлены высокой температурой поверхностного слоя. Наиболь- шие по величине значения главных напряжений 03 = -2 0 2 0 МПа (под покрытием с3 = -1200 МПа) - отрицательные, что характеризует сжатие в поверхностном слое. Причем тем- пература металла под покрытием достигает 870оС.

Для расчета стойкости ТЗП используем формулу Мэнсона [3], применяемую для расчета малоцикловой усталости конструкционных ста- лей:

Дг=bn i^-0'6+■■■

[  1 - V(t, T)J

, ^3,5[o дл ^{(t, Г)} - ° т ]   -0,12       \

■             Е(Т)         7V      ■     (1)

где N - число циклов до разрушения;

Л е - интенсивность размахов деформаций в опасной точке детали;

о_т - среднее напряжение цикла;

Е(Т) - модуль упругости при максимальной температуре цикла в рассчитываемой точке детали;

о_Д л (^, Т) - предел длительной прочности, соответствующий максимальной температуре и времени действия расчётного режима;

Ф(С,Т) - коэффициент поперечного сужения материала, соответствующий максимальной температуре и зависящий от длительности нагружения t и максимальной температуры цикла Т.

Зависимость (1) для заданных условий нагружения сечения приведена на рисунке 1.

Широкое применение формулы Мэнсона (1) обусловлено тем, что она физически правильно отражает процесс разрушения с учетом вклада в процесс как упругиих, так и пластических деформаций. При этом особую значимость в построении адекватных методов расчета числа циклов ^ отводится определению происходящих изменений в свойствах материала, например, от температуры (Рисунок 2), которые могут значительно изменяться в процессе одного цикла и различаться на разных участках поверхности канала трубы (Таблица 1, Рисунок 3).

Из рисунка 1 следует, что наиболее значимыми факторами, определяющими стойкость ТЗП, являются температура под защитным слоем и интенсивность деформации.

Рассматривая сечения, расположенные перед обтюрирующим пояском, необходимо учитывать, что их напряженное состояние в каждом импульсе ГИУ подвергается однократному нагружению тепловым потоком ПГ (Рисунок 4) до тех пор, пока количество циклов

Оценка циклической прочности термозащитного покрытия канала трубы … нагружения в предыдущих сечениях, нагружаемых еще и обтюрирующим пояском, не превысило критическое значение. При достижении критических условий происходит сход элемента покрытия величиной, равной его длине, образовавшейся при его деструкции под действием температурно-силового фактора [4] (величина 1

– 2 мм в начале нарезов). На эту же величину возможно удлинение заходного конуса. В любом случае сход покрытия означает, что деформирование пояска в следующем цикле будет продолжаться уже на новом участке ТЗП, который будет сходить следующим.

T=20 oC         T=400 oC         T=600 oC         T=800 oC

Рисунок 1 – Зависимость между размахом амплитуды деформаций и количеством предельных циклов

Таблица 1 – Наибольшее значение температур за время теплового воздействия цикла, °C

Значение температуры в °C	В середине поля нареза	В середине дна нареза	На ребре поля нареза	У основания нареза
На поверхности канала трубы	~ 1294	~ 1295	~ 1494	~ 1209
На границе покрытия и основы	~ 871	~ 870	~ 1173	~ 751

1,2

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента разупрочнения стали от температуры

Расчет нового участка необходимо начинать с учетом количества уже произведенных циклов. При этом необходимо учитывать увеличение интенсивности деформаций в связи с появлением дополнительных контактных напряжений от деформируемого обтюрирующего по- яска (Рисунок 5). Для случая применения диаграммы (рисунок 1), построенной на основе применения применение формулы Мэнсона (1) интенсивность деформаций необходимо усреднять.

Рисунок 3 – Распределение наибольших эквивалентных напряжений в трубе под воздействием нестационарного теплового потока и давления (деформационный фактор при выводе результатов ×100)

Разработан метод, основанный на применении формулы Мэнсона и на подробном анализе процессов термосилового воздействия на поверхность канала трубы ГИУ с нанесенным гальваническим способом ТЗП, который отражает физическую картину стойкости ТЗП и может применяться в качестве сравнительной оценки его функционирования в различных условиях. Применение метода для количественной оценки стойкости ТЗП возможно после верификации по опытным данным, полученным при эксплуатации ГИУ в натурных условиях.

Температур*

OJOO 0.01 0.01 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.00 0.09 0.10 Время, с

Рисунок 4 – Тепловое состояние покрытия на поверхности канала и на границе с основой: а) – в середине поля нареза; б – на ребре поля нареза

Рисунок 5 – Эквивалентные напряжения в середине поля нареза