Файл: Вопросы нормирования технологических дефектов сварных соединений сосудов высокого давления..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.11.2024
Просмотров: 15
Скачиваний: 0
Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР ЛЕНИНГРАДСКИЙ ДОМ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОПАГАНДЫ
УДК 621.791.05.019
Г. П. КАРЗОВ. Б. Т. ТИМОФЕЕВ, В. П. ЛЕОНОВ, М. П. РОЗАНОВ, М. Ф. ЕГОРОВ
ВОПРОСЫ НОРМИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СОСУДОВ
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
С е р и я — Прогрессивные методы обработки конструкционных материалов
Л е н и н г р а д
1974
Год. П
НЛУЧНд-Т» «»4М«Г-гЛЯЛ
<5идЛ*1Г> : *«" --0': д;- •■‘Гг: ‘ '
W f t e |
W - . 3 8 W / |
К ар зо в Георгий Павлович и др.
Вопросы нормирования технологических дефектов сварных сое динений сосудов высокого давления. ЛДНТП, 1974.
36 с. с илл. 5200 экз. 20 коп.
В работе приводится статистический анализ технологических дефектов в сварных швах сосудов высокого давления, выполненных различными методами сварки, и оцениваются наиболее вероятные их размеры по результатам дефектоскопического контроля. Для полу ченных размеров дефекта теоретич’еским и экспериментальным пу тем определяется степень снижения циклической прочности сварного соединения как по моменту зарождения усталостного повреждения, так и на стадии развития разрушения.
Работа рассчитана на конструкторов, технологов заводов и ра ботников научно-исследовательских институтов, занимающихся про ектированием, изготовлением и эксплуатацией сосудов высокого дав ления.
УДК 621.791.05.019
Ленинградская организация общ. «Знание» РСФСР.
ЛДНТП, 1974.
В В Е Д Е Н И Е
Директивы XXIV съезда КПСС предусматривают дальнейшее развитие, совершенствование и повышение технического уровня промышленности. Решение этик задач неразрывно связано с созда нием надежных, прочных и долговечных конструкций.
Надежность, долговечность и безопасность сварных конструк ций в процессе эксплуатации в значительной степени определяет ся качеством выполнения швов. В настоящее время сварочная тех нология достигла высокого уровня, что позволяет получать каче ственные сварные соединения. Однако при изготовлении крупнога баритных конструкций со швами большой толщины и протяжен ности появляются технологические дефекты сварки, которые слу жат концентраторами напряжений и зачастую являются основны ми причинами разрушений конструкций. Это заставляет предъяв лять к качеству сварных соединений наиболее ответственных кон струкций жесткие требования по количеству и величине допусти мых технологических дефектов.
Существующие в настоящее время нормы на допустимые де фекты в сварных швах для ряда областей промышленности опре делены, исходя из разрешающей способности применяемых мето дов контроля, опыта эксплуатации и технических возможностей индустриального производства. В то же время размеры допусти мых дефектов в изделиях различного назначения могут заметно отличаться друг от друга. При этом требования, устанавливаемые технической документацией на предельный размер и количество допустимых дефектов, должны обеспечивать в первую очередь без аварийную работу сварных конструкций в течение требуемого сро ка эксплуатации. Вместе с тем необоснованное ужесточение требо ваний на допустимые дефекты приводит к усложнению производ ства, повышению трудоемкости изготовления и стоимости выпус каемой продукции из-за необходимости введения дополнительной операции ремонта. Большое количество ремонтных подварок свар ных швов мож^г привести к более заметному снижению работо способности сварного узла по сравнению с вариантом сварной кон струкции с исходными технологическими дефектами. Отрицатель ное влияние исправлений с помощью сварки неоднократно под тверждалось опытом эксплуатации отремонтированных барабанов
паровых котлов, у которых усталостные повреждения возникали, как правило, в участках ремонта сварного шва.
Однако необоснованное увеличение размеров допустимых де фектов в сварных конструкциях может привести к их существен ному развитию за время эксплуатации и возникновению опасности
разрушения.
Основная задача настоящей работы — обоснование количест венных требований к нормированию технологических дефектов. Эти вопросы особенно актуальны при повышении прочности мате риалов, применяемых для изготовления конструкций. Нормирова ние технологических дефектов осуществляется с учетом типа кон струкции, условий ее нагружения и срока службы. Излагаемый ма териал относится к сварным узлам сосудов высокого давления, для которых характерным режимом нагружения является цикличе ский характер изменения давления и температуры с чередующим ся приложением статической нагрузки достаточно высокого уров ня. Исходя из условий работы конструкции, оценка предельных состояний для сварных соединений с технологическими дефектами должна проводиться по условиям усталостного и хрупкого разру шения. Хрупкие разрушения происходят, как правило, от дефек тов довольно большого размера, которые надежно регистрируются существующими методами контроля и не допускаются соответст вующей технической документацией. Поэтому влияние дефектов на хрупкую прочность в данной работе не рассматривается.
Обоснование норм на допустимые дефекты при серийном вы пуске конструкций наиболее целесообразно выполнять на Основа нии статистического анализа типов и размеров дефектов при изго товлении определенного вида продукции. Такая обработка позво лит определить наиболее вероятные дефекты (по величине, и кон фигурации), для которых затем должна проводиться .оценка сни жения сопротивления разрушению при нагрузках, соответствую щих эксплуатационным.
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ В СВАРНЫХ ШВАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Появление дефектов в сварном шве обусловлено множеством дестабилизирующих факторов, которые, как правило, имеют слу чайный характер. Многообразие дефектов и причин их образова ния существенно затрудняют оценку несущей способности сварных конструкций. Комиссия V Международного института сварки клас сифицирует все многообразие сварочных дефектов на шесть основ ных групп, каждая из которых характеризуется определенными гео метрическими параметрами. Даже при таком укрупненном подраз делении некоторые группы дефектов имеют единые характерные параметры. Например, трещины, так же, как и несплавления или непровары, можно отнести к плоским дефектам, для которых третье измерение весьма мало по сравнению с двумя другими. Они наибо
лее опасны, когда их плоскость перпендикулярна направлению основного нагружения, и характеризуются двумя размерами—длиной и шириной. Сферические или вытянутые полости типа пор, усадоч ных раковин, а в ряде случаев шлаковые включения имеют харак теристический размер — диаметр. Однако для неметаллических включений типа шлака, флюса или окислов следует рассматривать геометрические параметры во всех трех направлениях. С некото рой погрешностью шлаковые включения могут быть отнесены к плоским дефектам.
Таким образом, если не учитывать дефекты формы, искажаю щие профиль сварного соединения, все многообразие дефектов, встречающихся на практике, может быть приведено к двум основ ным типам:
дефекты округлой формы (газовые поры, сферические и вытя нутые полости шлака);
трещиноподобные дефекты (несплавления, непровары, трещи ны, закаты, различные неметаллические включения).
В связи с тем, что воздействие некоторых факторов на техноло гический процесс сварки носит случайный характер, расчет распре деления технологических дефектов в сварном шве может быть проведен только на основе статистического анализа. Такой анализ был выполнен применительно к различным сварным узлам и сое динениям сосудов высокого давления. Ниже приводятся резуль таты этой работы.
Статистический анализ качества сварных швов позволяет осу ществлять систематический контроль сварных соединений однотип ных конструкций. Количество технологических дефектов в сварных швах в процессе серийного изготовления изделий характеризуется плотностью их распределения. Расчет этой плотности производил
ся на основании данных контроля сварных швов |
неразрушающи |
||
ми методами, |
занесенных в технологический паспорт |
изделия или |
|
в журнал регистрации контроля качества сварки. |
Распределение |
||
включений в сварных швах в процессе производства |
изделий ха |
||
рактеризуется |
ожиданием, средним квадратичным |
отклонением, |
|
а при необходимости — коэффициентами асимметрии и эксцесса. Статистической обработке подвергались данные контроля каче
ства сварных |
швов |
сосудов высокого давления, относящихся |
к различным |
типам |
сварных соединений, которые при производ |
стве изделий обычно регистрируются в соответствующих журналах. Статистическая обработка качества сварных швов выполнялась для изделий, изготовленных из различных марок сталей. Анализ качества сварных швов проводился дифференцированно для каж дого типа сварного шва и марки стали с учетом толщины металла, которая колебалась от 36 до 130 мм.
На основании известных соотношений статистического анализа были вычислены дифференциальные и интегральные вероятности попадания размера шлакового включения в каждый разряд вари ационного ряда.
5
Средние арифметические величины размеров включений в мат рице сварного шва и средние квадратичные отклонения эмпириче ского закона распределения их приведены в табл. 1.
Таблица I
Результаты статистического анализа дефектов в сварных
|
|
|
|
швах сосудов высокого давления |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Математическая |
Средне- |
Тип сварного |
шва, |
метод сварки, |
|
ожидаемая |
|||||
|
к адратичное |
||||||||
|
свариваемый |
металл |
|
|
величина дефекта, |
||||
|
|
|
отклонение |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кольцевой стыковой шов, сталь- |
22К. |
3,34 |
2,30 |
||||||
автоматическая |
сварка, |
толщина |
металла • |
|
|
||||
72 мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продольный стыковой |
шов, сварка |
обе |
4,93 |
3,06 |
|||||
чаек, сталь |
22К, |
автоматическая |
сварка, |
|
|
||||
толщина 72 |
/ш |
|
|
|
|
|
|
|
|
Угловой |
шов, |
приварка |
патрубка |
Д у = |
3,66 |
1,76 |
|||
= 700 мм, сталь 22К, ручная^сварка |
|
|
|
||||||
Угловой |
шов, |
приварка |
патрубка |
Д у = |
3,55 |
2,32 |
|||
= 100 мм, сталь 22К, ручная сварка |
|
|
|
||||||
Угловой |
шов. |
|
приварка |
патрубка |
Д у — |
3,97 |
2,87 |
||
= 250 мм, сталь 22К. ручная сварка |
|
|
|
||||||
Угловой |
шов, |
приварка |
патрубка |
Д у = |
2,32 |
1,91 |
|||
= 150 мм, сталь 22К, ручная сварка |
|
|
|
||||||
Кольцевой стыковой шов, сталь 0X18Н1ОТ, |
2,35 |
1,88 |
|||||||
автоматическая |
сварка, |
6 = 20 = 30 |
мм |
|
|
1,87 |
|||
Продольный стыковой шов, сварка обе |
2,97 |
||||||||
чаек, сталь 0Х18Н10Т, автоматическая |
|
|
|||||||
сварка, 6 = 20 = 30 мм |
|
|
|
|
|
|
|||
Частота распределения величины шлаковых включений в сты ковых швах, выполненных автоматической сваркой под слоем флюса, и в угловых швах приварки патрубков, полученных ручной электродуговой сваркой, представлена на рис. 1 и 2. Частотные кривые нормального распределения шлаковых включений (рис. 2) показывают, что для рассмотренных сварных швов наибольшая вероятность появления — у технологического дефекта размером 2—3 мм. Рассматривая интегральные кривые распределения шла ковых включений, видно, что вероятность появления дефектов раз мером более 3 мм достаточно велика (~50% ).
Результаты статистического анализа свидетельствует о том, что реальные размеры технологических дефектов, встречающихся в сварных соединениях сосудов высокого давления, могут превос ходить допустимые размеры, устанавливаемые правилами контро-
6
ля. Учитывая, что в реальных условиях исправление таких дефек тов не всегда может быть произведено, при оценке влияния дефек тов на циклическую прочность сварных узлов следует ориентиро ваться. на наиболее вероятные их размеры, которые находятся в интервале 3—5 мм.
Р а зм е р ш т о б ы * Включении.нм
Рис. 1. Частота распределений вели |
Рис. |
2. |
Интегральная |
(/) и |
|
чин шлаковых включений в сварном |
дифференциальная |
(2) |
кривые |
||
шве приварки патрубка компенса |
распределения шлаковых вклю |
||||
тора: |
чений |
в |
сварном |
шве |
привар |
1 — гистограмма; 2 — кривая теорети |
ки |
патрубка компенсатора |
|||
ческого закона распределения |
|
|
|
|
|
Что касается вопроса об оценке предельных состояний конст рукции, связанных с их хрупким разрушением, с целью уменьше ния возможной ошибки в опасную сторону следует, по-видимому, ориентироваться на такие размеры дефектов, вероятность превы шения которых достаточно мала. Это значение может быть уста новлено по интегральным кривым как размер дефекта, выше ко торого вероятность появления уже существенно не изменяется. Для большинства исследованных случаев данное условие выпол няется при размере дефектов 6—7 мм.
7
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ
СВАРНЫХ ШВОВ ПО МОМЕНТУ ЗАРОЖДЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ
Определив на основании статистического анализа диапазон из менения наиболее вероятного размера технологического дефекта для энергетического оборудования расчетным или эксперименталь ным путем, можно оценивать прочность и долговечность сварных соединений. Известно, что технологические дефекты сварки приво дят к заметному снижению усталостной прочности. Теоретически степень снижения может быть определена по гипотезе Петерсона,
согласно которой усталостное повреждение |
в районе |
мелкого |
|
включения зарождается на некотором |
расстоянии от его |
поверх |
|
ности. Это расстояние уменьшается по |
мере |
возрастания |
времен |
ного сопротивления разрыву, уменьшаясь по мере возрастания сБ, и характеризует собой размер, на котором происходит сглажива ние пиковых напряжений в районе концентратора. Оценив величи ну этих напряжений, можно определить значение коэффициента снижения усталостной прочности за счет дефекта. Эта же схема демонстрирует и влияние абсолютных размеров дефекта. Таким об разом, гипотеза Петерсона дает результаты, качественно согласую щиеся с имеющимися представлениями о влиянии дефектов, и поз воляет применять математический аппарат для получения количе ственных оценок.
На основании гипотезы Петерсона и упругих решений Нейбера могут быть получены теоретические значения коэффициента сни жения усталостной прочности Kf для дефектов различной формы и размеров (В) применительно к материалам с различным уровнем прочности (рис. 3). Как следует из приведенных зависимостей, чув ствительность материала к дефектам с ростом уровня прочности значительно возрастает. Так как полученный результат хорошо подтверждается всей практикой исследования и эксплуатации, то эта теоретическая оценка может быть использована для предвари тельного анализа влияния дефектов на усталостную прочность.
Используя значения коэффициента снижения усталостной проч ности, полученные расчетным путем, можно построить зависимо сти, определяющие условия возникновения усталостного разруше ния в координатах ф—ов для сосудов высокого давления при нали чии дефектов различных типоразмеров.
На рис. 4 приведена номограмма условий разрушения сварных узлов с дефектами в виде трещин, пор и шлаковых включений раз личных размеров, расположенными в зонах местной конструктив ной концентрации. Здесь же представлена кривая, определяющая условия разрушения с учетом коэффициента запаса по долговеч ности. Как следует из приведенных данных, введение такого запа
са является оправданным только для материалов с ов^ 8 0 |
кгс/мм2, |
для более прочных материалов наличие дефектов в виде |
шлако |
вого включения размером 4 мм приводит ■к большему снижению
8