Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

не исключают возможности хрупкого разрушения при темпера­ турах, гидравлического испытания или эксплуатации) приме­ няется сталь более высокого качества.

Общепринятым методом для сварных конструкций из угле­ родистой стали является тепловое снятие напряжений (при толщине листа свыше 30 мм) и гидростатическое испытание готовых изделий при любых толщинах. Имеются исключения: например, 9%'Ная никелевая сталь и некоторые алюминиевые сплавы, обладающие высокой пластичностью при низких темпе­ ратурах, в которых снятие напряжений не имеет смысла.

В отношении ударной вязкости требования американских и английских технических условий для материалов с толщиной менее 30 мм, работающих при весьма низких температурах, по­ степенно снижаются. Более того, в этих странах практикуется применение сравнительно тонкостенных конструкций без снятия напряжений гидроопрессовкой и испытаний материала на удар­ ную вязкость для работы при низких температурах, что полностью отражает опыт безаварийной эксплуатации тонко­ стенных изделий в условиях пониженных температур и, как бу­ дет показано ниже, подтверждается результатами лабораторных испытаний и анализа их на основе линейной механики раз­ рушения.

В отличие от сосудов технология сооружения корпуса кораб­ ля исключает применение любого метода снятия напряжений, и поэтому требования по пластичности материала в этом случае более жесткие.

Технические условия во всем мире, за редкими исключе­

В то же время надо сказать, что различие по толщине листов и рабочей температуре для корпусов кораблей несравненно мень­ ше, чем для сосудов давления.

Имеется большое количество данных по авариям в резуль­ тате хрупкого разрушения конструкций; ссылка на обзор этих данных была приведена во введении к настоящей книге. Обоб­ щение этих данных показывает, что опасность разрушения сварных конструкций из углеродистых сталей в процессе эксплуатации намного уменьшается при удовлетворительном проведении теплового или механического снятия напряжений. Следует иметь в виду, что механическое снятие напряжений, для которого необходимо испытание конструкции при больших перегрузках, сопряжено с риском развития исходных дефектов

182

или появления новых и, следовательно, повышением опасности разрушения. Этот риск можно уменьшить путем повышения температуры гидравлического испытания, что, однако, может

некоторые из которых были большого размера, а некоторые, вероятно, неопасные, могли остаться необнаруженными. Вообще говоря, опасность разрушения конструкций, подвергнутых сня-* тию напряжений, резко возрастает с увеличением толщины листа

явились причиной этой аварии.

Сварной резервуар (термически не обработанный) для жид­ кой углекислоты был специально разрушен внутренним давле­ нием при —8° С после многолетней эксплуатации [7]. Он прора­ ботал 24 года при температурах до —40° С, после чего был снят с эксплуатации ввиду появления внутренних дефектов, и

давлении 0,35 кгс/мм2, хотя у выпускной горловины, являющей­ ся концентратором напряжений, перед началом разрушения были обнаружены большие трещины. Эти трещины были покры­ ты темным слоем высокотемпературного окисла, показывающим, что они возникли еще при сварке. Трещины развились на глу­ бину до 95%) толщины стенки, которая была 12,7 мм. Другие трещины в основных швах резервуара были обнаружены внутри резервуара; они занимали треть толщины на довольно большой длине. Ударная вязкость (по Шарли) при —8° С составляла 0,97 кгс-м. Нет сомнений, что этот сосуд разрушился бы с са­ мого начала эксплуатации при давлении 0,26 кгс/мм2 и темпе­ ратуре —40° С. Длительный срок службы сосуда следует отнести за счет предварительного гидравлического испытания при нор­

183-

мальной температуре. Этот пример показывает, что скорость развития дефектов под действием колебаний давления может быть небольшой в условиях работы при низких температурах, если, конечно, число циклов полного изменения давления не слишком велико. Таким образом, механическое снятие напряже­ ний путем перегрузки, как мера предупреждения развития разрушения, может действовать ограниченное время в зависи­ мости от того, насколько часто изменяется нагрузка в процессе эксплуатации, после чего желательно или обязательно провести повторное снятие напряжений механическим или термическим методом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Если сравнить результаты испытаний надрезанных образцов

повышение ударной вязкости. То же самое было бы справедливо, если бы предварительная деформация материала имитировала механическое снятие напряжений. Однако для воспроизведения условий эксплуатации в лаборатории необходимо анализировать результаты испытания специальных образцов, наиболее точно представляющих реальное сварное изделие. Подходящими для этой цели являются испытания на растяжение широких сварных надрезанных пластин, описанные в гл. 2. Эти испытания пред­ почтительнее испытаний на изгиб, с помощью которых на таких же образцах было установлено существенное влияние снятия напряжений на хрупкую прочность [8].

Испытания пластин без резких концентраторов напряжений из малоуглеродистой стали [9, 10] подтверждают, что если нет надрезов (или трещин), то хрупкого разрушения обычно не происходит даже при температурах до —100° С. Даже если имеется один или несколько коротких внутренних надрезов (длиной не более 25 мм), хрупкое разрушение происходит при напряжении не ниже предела'текучести, и при этом наблюдается некоторая пластическая деформация во всем образце. Если же надрез достигает границы оплавления или зоны термического влияния сварного шва, разрушающее напряжение оказывается ниже предела текучести [11]. Такое падение разрушающего на­ пряжения ниже предела текучести может быть резким, как для пластин толщиной 25 мм из стали Р (рис. 1,а), или более «раз­ мытым», как для стали S (рис. I, б). Разрушение при низком напряжении может быть задержано короткой трещиной, если оно началось при напряжении 7 кгс/мм2 или менее (см. гл. 2), или может пройти без остановки через всю пластину при более

184

высоком напряжении. Для продолжения задержанного разру­ шения обычно требуется повышение нагрузки.

В этих испытаниях сварных образцов есть несколько момен­ тов, показывающих роль некоторых механических и физических

факторов, о чем следует сказать, прежде чем перейти к даль­ нейшему обсуждению поведения материала после снятия напряжений.

Во-первых, в образцах, результаты испытания которых показаны на рис. 1,а, продольный шов был выполнен вручную в нижнем положении в несколько проходов электродами с раз-

185

личной обмазкой. Кромки свариваемых пластин имели симмет­ ричную Ѵ-образную разделку. Надрезы были нанесены с одной стороны на постоянную глубину 5 мм ювелирной пилкой толщи­ ной 0,15 мм. Были применены электроды с обмазкой двух типов: из двуокиси титана и известкового плавикового шпата (низко­ водородистые), в результате чего наплавленный металл в зоне надреза имел различные свойства. В первом случае было обна­ ружено большее или меньшее количество трещин после сварки, которые были видны на разрушенных образцах, и поскольку они были покрыты темным слоем окисла, это свидетельствовало об их появлении при сварке, т. е. до испытания. Такие же трещины в образцах, сваренных электродами с низководородистой об­ мазкой, были обнаружены лишь в нескольких случаях. Первые образцы обладали более низкой хрупкой прочностью, чем вто­ рые, причем наблюдалась тенденция к более раннему зарожде­ нию трещин в наплавленном металле с пропорционально мень­ шей длиной остановившихся трещин и соответственно меньшим их количеством при разрушении. Однако это можно объяснить главным образом тем, что в образцах, сваренных электродами с обмазкой из двуокиси титана, в исходном состоянии были дефекты большего размера.

Во-вторых, при увеличении толщины пластин, сваренных электродами с обмазкой из двуокиси титана, до 76 мм окислен­ ные (исходные) трещины становились настолько опасными, что вызывали иногда самопроизвольное хрупкое разрушение при охлаждении после сварки [12, 13]. Сварной шов в этих образцах наносили вручную за 70 проходов симметричным образом, по­ этому наблюдался заметный кумулятивный эффект, при котором в слоях, наложенных первыми, постепенно релаксировали оста­ точные сжимающие напряжения, создававшиеся при охлажде­ нии слоев, наложенных при последующих проходах. Это было доказано путем разрезки образца на темплеты вдоль шва пер­ пендикулярно и параллельно поверхности пластины. В темплетах, вырезанных из центральной (срединной) зоны, упругие деформации разгрузки были незначительными, тогда как в по­ лосах, находившихся вблизи наружной поверхности, остаточные растягивающие напряжения были почти равны пределу текуче­ сти. Этим же можно объяснить более низкую хрупкую прочность вследствие наличия пропилов вблизи наружной поверхности.

В третьих, испытания на ударную вязкость образцов, выре­ занных из зоны термического влияния так, что ось их надреза была расположена на различном расстоянии от наплавленного металла, показали, что характер кривой на диаграмме ударная вязкость — температура отличается от такой кривой для исход­ ного (основного) металла [14]. Снижение ударной вязкости на­ блюдается, как правило, на малоуглеродистой стали, что свиде­ тельствует о вредном влиянии термического цикла и пластиче­ ской деформации при сварке, причем зона наибольшего падения

• 186

/

s/