Ruperea la oboseală

Ruperea la oboseala

Sub actiunea solicitarilor variabile materialele sufera degradari ireversibile constand din initierea si propagarea fisurilor, al caror efect final il reprezinta ruperea la oboseala. Dintre elementele utilajului petrolier care fac obiectul acestui curs sunt supuse solicitarilor variabile in principal componentele garniturii de foraj, prajinile pentru pompare si cuplul con-butonul falcii sapelor cu trei conuri. Ruperea la oboseala a imbinarilor filetate si a prajinilor de foraj reprezinta forma cea mai frecventa a avariilor elementelor garniturii de foraj. De asemenea, prajinile de pompare sunt avariate exclusiv prin rupere la oboseala in medii corosive, localizata in imbinarea filetata, in zona capetelor refulate si in corp. Fenomenul de oboseala la sapele de foraj se manifesta in principal prin fisurarea si spargerea conurilor si prin oboseala superficiala a lagarelor de rostogolire.

Fenomenul ruperii la oboseala se desfasoara in trei etape:

a) nucleatia fisurilor, determinata de modificarile locale ale caracteristicilor fizico-mecanice ale materialului;

b) propagarea fisurilor, prin cresterea lor succesiva pana la atingerea unei valori critice;

c) ruperea sectiunii transversale remanente a piesei.

Initierea fisurilor in materialele policristaline are loc ca urmare a solicitarii repetate ce conduce la o ecruisare ciclica localizata initial in cristalele orientate favorabil in raport cu directia solicitarii. Ca mecanism, ecruisarea se datoreste cresterii densitatii dislocatiior, a caror miscare este impiedicata datorita interactiunii cu obstacole din reteaua cristalina sau cu configuratiile de dislocatii generate anterior. Dupa un numar relativ redus de cicluri de solicitare in cristalele orientate favorabil, miscarea dislocatiilor se concentreaza in anumite plane formand benzi de alunecare in care au loc "eruptii" de material in folii subtiri denumite extruziuni, concomitent cu formarea in aceeasi banda a unor adancituri - intruziuni, prezentate in figura 1.8. Aparitia benzilor de alunecare si a intruziunilor reprezinta stadiul de nucleatie a fisurilor. Cu cresterea numarului de cicluri de solicitare, intruziunile se propaga intai in directia tensiunilor taietoare maxime (sub unghiul de 45o fata de tensiunile normale ) in benzile de alunecare, reprezentand stadiul I de propagare, care corespunde la 1...5% din durtata de viata. In stadiul II de propagare, fig. 1.8, frontul fisurii se orienteaza perpendicular pe directia tensiunii normale, fisura propagandu-se transcristalin (la unele materiale ca fonta cu grafit lamelar, otelul turnat, aliajele de aluminiu de inalta rezistenta, fisura se propaga si intercristalin). Caracteristica principala a acestui stadiu o reprezinta propagarea intermitenta a fisurii prin deschiderea si inchiderea fisurilor la fiecare ciclu de solicitare, fenomen ce se materializeaza si pe suprafata de rupere a piesei prin prezenta unor striuri caracteristice.

Fig. 1.8

Viteza de propagare a fisurilor in stadiul II, da/dN (a - lungimea fisurii si N - numarul de cicluri), bazat pe conceptele mecanicii ruperii materialelor linear - elastice se exprima in functie de valoarea ciclica a factorului de intensitate a tensiunilor sub forma:

( 1.10 )

In figura 1.9 este reprezentata grafic acesta dependenta. In domeniile A si C se manifesta preponderent influenta microstructurii, iar in domeniul B (partial si in domeniul A), se manifesta influenta mediilor de lucru. Integrarea relatiei (1.10) permite determinarea numarului de cicluri pana la atingerea unei valori critice a lungimii fisurii care conduce la ruperea piesei si, prin aceasta, la calculul durabilitatii pieselor.

Fig. 1.9

La atingerea unei anumite valori a lungimii fisurii survine ruperea finala prin propagarea brusca a fisurii, atunci cand tensiunile de solicitare pe sectiunea remanenta a piesei depasesc rezistenta materialului. Astfel, sectiunea de rupere la oboseala a piesei va prezenta doua zone distincte (fig. 1.10): zona propagarii fisurii in stadiul II, relativ neteda si zona ruperii finale sau bruste, cu un aspect rugos. In figurile 1.11 si 1.12 se prezinta aspectele tipice ale suprafetelor de rupere la oboseala ale imbinarilor filetate ale garniturii de foraj. In fig. 1.12 fisurile de oboseala au initiat in zonele marcate cu 1, s-au propagat spre interiorul piesei, iar ruperea finala, brusca s-a produs in zonele marcate cu 2.