Файл: Вопросы нормирования технологических дефектов сварных соединений сосудов высокого давления..pdf

долговечности конструкции на стадии образования усталостной трещины.

Используя предложенную выше схему, можно произвести оцен­ ку требований к уровню допустимых дефектов и конструктивному оформлению отдельных узлов сосудов высокого давления в зависи­ мости от уровня прочности применяемого материала. Для расчета

можно принять взаимосвязь между ав и ф. Некоторые результаты такого расчета для долговечности Af= 5-103 циклов представлены на рис. 5, из которого видно, что для обеспечения заданной долго­ вечности дефекты типа непроваров и расслоений даже размером около 2 мм недопустимы в районе конструктивной концентрации

9

й1,ПС/М*2 m,-----

Рис. 4. Условия возникновения усталостного раз­ рушения в сосуде, имеющего коэффициент концен­ трации деформации /Стах = 3, на базе 5 -103 циклов

при использовании материалов, временное сопротивление которых выше 60 кгс/мм2.

Если рассматривать допустимость дефектов в виде шлаковых включений или пор размером 4 мм, то для материала с времен­ ным сопротивлением выше 100 кгс/’лш2 эти дефекты следует при­ знать недопустимыми, так как для обеспечения заданной долго­ вечности значение коэффициента концентрации напряжений необ­ ходимо снижать до значений менее 3. Характерно, что для матери­ алов, временное сопротивление которых выше 120 кгс/лш2, трещи­ на длиной 4 мм, расположенная на гладкой части сосуда, уже при­ водит к возникновению усталостного разрушения. Таким образом, с повышением прочности материала необходимо ужесточать нор­ мы на допустимые дефекты.

Представленный выше теоретический анализ влияния дефектов на условия разрушения сосудов высокого давления нуждается в экспериментальной проверке при уточнении значений коэффици­ ентов снижения усталостной прочности для реальных сварных соединений, применяемых в энергетических установках. Оценку снижения следует проводить для дефектов таких размеров, часто­ та появления которых является наиболее вероятной для различ­ ных сварных швов энергетических конструкций. Как было показа­ но ранее, этот размер находится в интервале 3—5 мм.

Для экспериментальной оценки сопротивления усталостному разрушению сварных соединений с технологическими дефектами авторами использованы прямоугольные образцы сечением 10Х Х30 мм, в средней части которых был заложен дефект заданной конфигурации и размера. Исследования были проведены на свар­ ных соединениях с дефектами типа непровара и шлаковое включе­ ние, полученными искусственным путем. При этом рассматрива­ лись следующие технологические варианты:

сварные соединения стали 15Х2МФА, выполненные ручной электродуговой сваркой электродами марки Н6, со сквозным непрова­

дуговой сваркой электродами марки УОНИ-13/45, с аналогичными типами и размерами дефектов;

сварные соединения стали 0Х18Н10Т, выполненные ручной

ром размером 10 мм.

В процессе испытаний фиксировалось число циклов, при кото­ ром на наружной поверхности рабочей части образца появлялась усталостная трещина протяженностью 1,5 мм, и число циклов, соответствующее разрушению. Число циклов нагружения до появ­ ления усталостной трещины определяли визуально при наблюде­

11

нии за поверхностью образца невооруженным глазом. Так как размер усталостной трещины, рацный 1,5 мм, был принят в настоя­ щей работе за критерий разрушения образцов с технологическими дефектами сварки, то не все образцы испытывали до разрушения. Большая часть их в процессе циклического нагружения доводи­ лась до появления усталостной трещины.

Результаты, полученные при испытании образцов с технологи­ ческими дефектами, могут быть представлены в виде однотипных зависимостей. Поэтому на рис. 6 приведены лишь кривые малоцик­ ловой усталости сварных соединений стали марки 0Х18Н10Т с де­ фектами в сопоставлении с усталостными кривыми для сварных швов, выполненных аналогичными сварочными материалами, но без дефектов. Сопротивление усталостным разрушениям металла

Рис. 6. Сопротивление усталостному разрушению сварных соединений из стали 0Х18Н10Т:

1, 2 — разрушение и появление трещины в образцах без де­ фектов, 3, 4, 5 — появление трещины в образцах со шлаковым размером 2X3; 3X3 и 4X3 мм соответственно; б — появление трещины в образцах с непроваром размером 5 мм

швов без дефектов до момента образования трещины оценивалось либо по испытанию аналогичных плоских образцов сечением 10х ХЗО мм в рабочей части, либо условно по кривым усталости, полу­ ченным на круглых образцах. Во втором случае считалось, что чис­ ло циклов, необходимое для разрушения образца после появления усталостной трещины, составляет в среднем 40% от полной долго­ вечности испытываемого образца на базе нагружения 102—104 цик­ лов. По полученным кривым усталости для металла шва без дефек­ та и с дефектом определенного размера оценивался коэффициент снижения усталостной прочности.' Экспериментальное значение этого коэффициента можно получить как отношение амплитуды деформации, соответствующей моменту возникновения усталост­ ного разрушения на образцах без дефектов е0, к величине анало­ гичной характеристики металла с дефектом е%. Значения коэффи­

12

циента Kf при различных числах циклов нагружения могут изме­ няться в довольно широких пределах (более чем в 2 раза) и при малых долговечностях иметь весьма большую величину. Наиболь­ шее увеличение этого коэффициента при числе циклов нагружения до КЗ3 отмечается у металла шва, выполненного электродами мар­

ки УОНИ-13/45.

Изменение коэффициента К/ в зависимости от числа циклов нагружения связано, по-видимому, с протеканием процессов пере­ распределения деформаций в образце. Для практических целей важно определить в первую очередь коэффициент снижения уста­

ванных вариантов сварных соединений с определенными размера­ ми технологических дефектов.

В работе также производилась оценка значений коэффициента снижения усталостной прочности для металла сварных швов с ре­ альными технологическими дефектами типа пор и шлаковых вклю­ чений. Значения коэффициентов Kf для реальных дефектов близки или полностью совпадают с аналогичными величинами для искус­ ственно полученных шлаковых включений. На рис. 7 проводится сопоставление значений коэффициентов снижения усталостной прочности, полученных расчетным методом1 и экспериментально для искусственных и реальных дефектов по результатам испыта­ ний образцов и опытных сосудов.

Анализируя полученные данные, можно отметить достаточно хорошую корреляцию расчетных зависимостей с результатами экс­ периментов для дефектов типа пор и непроваров в малоуглероди­ стом и низколегированном металле шва. Что касается значений Kf для шлаковых включений, то в данном случае наблюдается боль­ шой разброс, причем большинство экспериментальных точек нахо­ дится выше соответствующих теоретических, кривых. Полученный результат можно объяснить многообразием формы шлаковых включений (от правильного эллипсоида до неопределенной формы С острыми надрезами типа трещин). В связи с этим совершенно естественно, что большинство экспериментальных значений Kf не совпали с расчетной кривой, полученной для эллипсоида, а распо­ ложились между зависимостью К]—В и аналогичной кривой для трешины.

Проведенные испытания образцов с технологическими дефекта­ ми на малоцикловую усталость показали, что число циклов до по­ явления усталостной трещины существенно зависит от конфигура­ ции дефекта. В случае дефектов округлой формы соотношение между временем зарождения трещины и временем ее дальнейшего развития отличается от аналогичной зависимости для трещинопо­ добных дефектов. Эксперименты наглядно продемонстрировали, что в первом случае трещина появляется в среднем после 50% от

13