МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

При создании сварных конструкций химаппаратуры и энергети­ческих агрегатов в многослойном исполнении особую важность при­обретают вопросы, связанные с оценкой их несущей способности с учетом воздействия эксплуатационных, технологических и силовых факторов [1]. Известно, что иногда изделия такого класса в эксплу­атационных условиях могут подвергаться воздействию циклических нагрузок. Одной из основных характеристик, определяющих несущую способность многослойных конструкций, эксплуатируемых в усло­виях циклического нагружения, является сопротивляемость металла и сварных соединений усталостным разрушениям. При переходе на сварные конструкции с многослойной стенко^ помимо комплекса

характеристик, на основе которых оценивается их несущая способ­ность при статическом нагружении, необходимо располагать сравни­тельными данными о сопротивлении усталости монолитного и многослойного металла, а также их сварных соединений.

Для получения таких данных в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР выполнены соответствующие сравнительные экспериментальные исследования. При проведении экспериментов характеристики уста­лости сварных соединений определялись на крупномасштабных об­разцах в зависимости от вида сварки, химического состава и механи­ческих свойств основного металла, а также конструктивных особен­ностей многослойных конструкций.

Сопоставление сопротивления усталости монолитной и многослой­ной стали. Сравнительная оценка сопротивления усталости монолит­ной и многослойной стали должна, по-видимому, рассматриваться с позиций проявления влияния масштабного фактора, вызывающего снижение пределов выносливости образцов или элементов конструк­ций по мере роста их размеров [21. Исследования [2—5], выполнен­ные на гладких цилиндрических образцах, свидетельствуют о том, что масштабный фактор наиболее сильно проявляется при изгибе и кручении. По мере увеличения диаметра образца от 7,5 до 200 мм снижение пределов выносливости [2—5] может достигать 30—50 %. В меньшей степени роль масштабного фактора проявляется при осе­вом нагружении [2], однако, и в этом случае его влияние может быть существенным. Предположим, что сопротивление усталости тонко­листового металла в многослойных конструкциях окажется повы­шенным в сравнении с монолитным. С целью проверки этого предпо­ложения выполнены сравнительные усталостные испытания много­слойных и однотипных монолитных образцов (рис. 1), изготовленных из малоуглеродистой стали марки Ст. Зсп. Химический состав и меха­нические свойства исследованной стали удовлетворяли требованиям ГОСТа 380-71.

Образцы испытывались при осевом нагружении на универсальной испытательной машине ЦДМ-200пу при частоте нагружения 5 Гц. Напряжения измерялись проволочными датчиками сопротивления с базой 10 мм с помощью тензометрической станции 8-АНЧ. По-

казания датчиков регистрировались с помощью шлейфного осцилло­графа. На каждый образец наклеивалось по четыре датчика. При ис­пытаниях многослойных образцов контролировалась также равно­мерность распределения напряжений между слоями. Для этого на боковых гранях многослойных образцов дополнительно наклеива­лось по шесть тензодатчиков, позволявших измерять напряжения в каждом слое раздельно.

Благодаря высокой чистоте механической обработки боковых граней образцов трещины усталости при испытаниях зарождались на прокатной поверхности металла. Это дало возможность получить данные, отвечающие условиям разрушения металла в реальных кон­струкциях. Результаты выполненных испытаний показаны на рис. 1. Сопоставление сопротивления усталости толсто - и тонколистовой ста­ли в многослойных пакетах не выявило преимуществ тонколисто­вого металла. Долговечность монолитных и многослойных образцов при соответствующих уровнях напряжений оказалась практически одинаковой. Основные причины, обусловившие нивелирование сопротивления усталости толсто - и тонколистовой стали в паке­тах, следует, по-видимому, связывать со статистической теорией уста­лостного разрушения [2], в соответствии с которой вероятность появления дефектов, определяющих сопротивляемость металла усталостным разрушениям, зависит не только от толщины ме­талла, но и от абсолютных размеров образцов или элементов кон­струкций.

Сопоставление сопротивления усталости стыковых соединений монолитного и многослойного металла. Надежность и долговечность многослойных сварных конструкций, предназначенных для длитель­ной эксплуатации в условиях циклического нагружения, во многом вависит от способности соединений сопротивляться усталостным раз­рушениям. До последнего времени наиболее полные исследования усталости сварных соединений выполнялись применительно к монолит­ному металлу [6]. Результаты этих исследований широко использу­ются в инженерной практике при расчетах и проектировании моно­литных сварных конструкций. Применительно к многослойным конструкциям сведения о сопротивлении усталости сварных соеди-

Число циклоі H

Рис. 3. Результаты усталостных испытаний плоских образцов из многослойных пакетов со стыковым швом:

1 — ручная сварка (сталь Ст. 3 сп); * — автоматическая сварка (сталь Ст. 8 сп); з — ручная сварка (сталь 12ХГНМФ); 4 — автоматическая сварка (сталь 09Г2СФ).

нений ограничены малоцикловой областью нагружения [8, 91. При оценке несущей способности многослойных конструкций, проекти­руемых на более длительный срок службы, необходимо располагать данными о сопротивлении усталости сварных соединений, относя­щихся к многоцикловой области нагружения, в сопоставлении с мо­нолитным металлом.

Сопоставление сопротивления усталости сварных соединений монолитного и многослойного металла осуществлялось на образцах (рис. 2) со стыковым швом, выполненным ручной сваркой (сталь марки Ст. 3 сп). При испытании образцов учитывались основные фак­торы, определяющие сопротивление усталости сварных соединений реальных конструкций. Так, концентрация напряжений, создавае­мая формой соединения, соответствовала реальным конструкциям. Образцы имели сечение достаточное для того, чтобы остаточные на­пряжения в них достигали максимальных значений. Образцы испыты­вались при осевом нагружении по описанной выше методике. Уста­лостные трещины в монолитных образцах зарождались на поверх­ности пластин — по линии сплавления шва с основным металлом. Очаги зарождения усталостных трещин в многослойных образцах чаще всего располагались между слоями тонколистового металла в зонах стыковых швов. Критерием разрушения монолитных образ­цов при испытаниях служила начальная стадия развития усталост­ных трещин, соответствующая глубине 4 мм.

Многослойные образцы испытывались до полного разрушения, что соответствовало четырехмиллиметровой глубине усталостной трещины в отдельном слое многослойного металла. Сопоставление (рис. 2) несущей способности стыковых соединений монолитного и многослойного металла по данному критерию разрушения свиде­тельствует о том, что в условиях циклического нагружения сопротив­ляемость разрушению сварных соединений многослойной и мо­нолитной стали практически одинакова.

Сопротивление усталости стыковых соединений многослойного металла в зависимости от вида сварки и класса прочности стали. Как было установлено ранее [6], сопротивление усталости однотип­ных сварных соединений монолитного металла в многоцикловой области практически не зависит от класса прочности конструкцион­
ной стали (механические и химические свойства), вида и технологии сварки. Однако применительно к многослойным конструкциям это положение нуждалось в дополнительной экспериментальной провер­ке. Усталостным испытаниям подвергались образцы из многослой­ных пакетов (рис. 3) со стыковым соединением, выполненным ручной и автоматической сваркой. Исследовались углеродистая сталь марки СтЗсп, а также легированные стали марок 12ХГНМФ и 09Г2СФ. Химический состав и механические свойства указанных сталей удов­летворяли требованиям соответствующих технических условий на их производство (12ХГНМФ — ТУ 14—105—314—75, 09Г2СФ ТУ 14-1-2074-77).

Использованные сварочные материалы и технология сварки обес­печивали в условиях статистического нагружения равнопрочность сварных соединений основному металлу. Полученные результаты (рис. 3) свидетельствуют о том, что ири применении многослойного металла сопротивление усталости стыковых соединений практиче­ски не изменяется в зависимости от вида сварки и класса прочности стали. Данные результатов испытаний образцов, выполненных из углеродистой и легированной стали, а также сваренных ручной и ав­томатической сваркой, располагаются в одной области рассеяния, свойственной усталостным испытаниям однотипных сварных соеди­нений из отдельной марки стали.

Сопоставление сопротивления усталости стыковых соединений, нахлесточных соединений с прикреплением патрубков и многослой­ного металла с перфорационными отверстиями. Основным видом не­сущего соединения многослойных конструкций является стыковой монолитный шов, выполненный автоматической или ручной сваркой. Исходя из этого, при расчетной проверке многослойных конструкций на выносливость в качестве основного расчетного сопротивления принимаются характеристики сопротивления усталости стыкового соединения, устанавливаемые нормами расчета на прочность на ос­новании результатов соответствующих экспериментов. Таким соеди­нениям, как вварка различного рода патрубков и устройство отводов в многослойной стенке, а также другим конструктивным особеннос­тям (устройство перфорационных отверстий) отводится второстепен­ная роль. Однако эти элементы в конструкциях из монолитного ме­талла создают повышенную в сравнении со стыковыми соединениями концентрацию напряжений, которая, в большинстве случаев, явля­ется определяющим фактором, обусловливающим инициирование и развитие усталостных разрушений. Эти виды соединений могут определять также несущую способность многослойных сварных кон­струкций, подвергающихся в эксплуатационных условиях воздей­ствию циклических нагрузок. Все это потребовало выполнения спе­циальных исследований, связанных с сопоставлением сопротивления усталости рассмотренных видов соединений. Испытаниям подверга­лись три серии образцов: первая — эталонный многослойный обра­зец со стыковым соединением; вторая — образец, воспроизводящий устройство перфорационных отверстий в многослойной стенке; третья — образец, воспроизводящий вварку угловыми швами мо-

2. Стыковые соединения многослойного и монолитного металла по сопротивлению усталостным разрушениям равноценны. Долго­вечность в ограниченной области и пределы выносливости стыковых соединений многослойного металла не зависят от вида сварки (руч­ная, автоматическая) и класса прочности стали (химсостава и мех - свойств).

3. При проверке на выносливость несущей стенки многослойных конструкций значения расчетных сопротивлений для стыковых соединений, узлов вварки монолитных патрубков угловыми швами и сечений, ослабленных перфорационными отверстиями, могут при­ниматься одинаковыми.