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

Таким образом, проведенные исследования показали домини­ рующее влияние исходных технологических дефектов на снижение сопротивления разрушению сварных сосудов давления цикличе­ скому нагружению. Подход к оценке влияния дефектов с позиции механики разрушения позволяет оценить случаи, возможные в практике испытаний и эксплуатации реальных конструкций.

РОЛЬ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА КОНСТРУКЦИИ НЕРАЗРУШАЮЩИМИ МЕТОДАМИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ ЕЕ ПРОЧНОСТИ

Изложенные выше результаты позволяют провести количест­ венную оценку влияния исходных технологических дефектов на прочность конструкции. На основании такого анализа представ­ ляется возможным перейти к обоснованию норм на допускаемые размеры дефектов, предварительно рассмотрев вопрос о взаимо­ связи между сопротивлением разрушению реальных конструкций и комплексом мероприятий по дефектоскопическому контролю, при­ меняемому при ее изготовлении. Каждый комплекс контрольных методик может быть охарактеризован следующими основными па­ раметрами:

разрешающей способностью, под которой понимается наимень­ ший размер исходного дефекта ар, выявляемый с помощью приме­ няемых методов контроля;

надежностью выявления; одним из численных выражений этой характеристики, может являться размер дефекта а *, при котором вероятность его обнаружения не менее заданной.

В зависимости от требований, предъявляемых к надежности из­ делий и ответственности конструкций, величина вероятности обна­ ружения дефектов размера а* может изменяться. Для сосудов вы­ сокого давления она принимается равной 0,95 (рис. 14).

При оценке прочности конструкции с учетом возможных техно­ логических дефектов данные значения необходимо получать в пер­ вую очередь для наиболее опасных типоразмеров. Под размером опасного дефекта следует понимать его характеристический раз­ мер, который при заданной форме дефекта определяет значение коэффициента концентрации деформаций (для дефектов округлой формы) или коэффициента интенсивности напряжений (для тре­ щиноподобных дефектов). В связи с тем, что при проведении оцен­ ки прочности конструкции необходимо рассматривать наиболее опасные ситуации, в качестве исходного размера дефектов следует руководствоваться величиной а*. Обычно эта величина может быть удовлетворительно установлена на основании серии лабора­ торных экспериментов. В условиях изготовления конструкции на заводе при применении того же комплекса контроля вероятность выявления дефекта размером а* будет ниже заданной, а с задан­ ной вероятностью будет выявляться дефект размером а**. Прини­ мая во внимание указанное обстоятельство, при проведении оцен-

28

ки прочности следует ориентироваться на размер исходного де­ фекта о**. Однако определить величину а** достаточно трудно, поэтому оценку ее следует производить, исходя из известного зна­ чения л*, по формуле

а** = у а*,

где у — коэффициент, учитывающий снижение качества контроля в заводских условиях.

Для оценки величины у следует располагать данными по выяв­ ляемое™ дефектов в заводских и лабораторных условиях.

При определении норм на допустимые размеры дефектов ори­ ентировка на размер а** недопустима. Диапазон, в котором долж­ ны устанавливаться допускаемые размеры исходных дефектов, на­ ходится между ар и а*. При этом следует иметь в виду, что под размерами дефектов в установленном интервале понимаются ха-

Рис. 14. Вероятность обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов типа трещин в зависимости от их глубины в лабораторных (/) и заводских (2) условиях

\

рактеристические размеры дефектов. В то же время в целом ряде случаев при дефектоскопическом контроле именно эти размеры дефектов не могут быть определены. Характерным примером яв­ ляется контроль просвечиванием, при котором в заводских усло­ виях практически отсутствуют стандартные методики по определе­ нию размера дефекта в направлении толщины. Аналогичная кар­ тина наблюдается при ультразвуковом контроле, где каждому де­ фекту сопоставляется его эквивалентная площадь, характеризую­ щая способность дефекта отражать звуковой сигнал, а не его ли­ нейные размеры. Все это может привести к тому, что, задавая раз­ меры дефектов, близкие к а* как допустимые, в реальных усло­ виях можно получить линейные размеры дефектов, существенно превосходящие эту величину.

29

Указанное обстоятельство приводит к необходимости разделе­ ния вопроса о выборе норм на допускаемые дефекты и оценки прочности конструкций с учетом исходных дефектов на две само­ стоятельные проблемы. Основной задачей нормирования дефектов должно являться поддержание на заводе-изготовителе необходи­ мого уровня технологической дисциплины, что в конечном итоге оказывает влияние на величину а**, которая может быть использовака при оценке прочности. При этом назначение норм на до­ пускаемые дефекты, по-видимому, должно базироваться на дан­ ных статистического анализа, что позволит значительно сократить объем необоснованного ремонта. При проведении прочностных оце­ нок прежде всего следует определить наиболее опасный тип де­ фекта, характерного для данного класса конструкций.

Как показывает анализ методов дефектоскопического контро­ ля, для толстостенных сосудов высокого давления наиболее опас­ ны поверхностные или подповерхностные трещины, которые могут быть не обнаружены в связи с ограниченными возможностями су­ ществующих методов контроля. По данным лабораторных экспе­ риментов, размер таких трещин по глубине может достигать 6 мм. Это связано с тем, что при ультразвуковом контроле больших сече­ ний существует прилегающая к поверхности зона глубиной поряд­ ка 6—7 мм, где сигнал от дефекта не всегда может быть зареги­ стрирован.

Для оценки величины коэффициента у использовался опыт обследования крупных сосудов после прохождения ими заводского контроля. При этом применялись более точные, чем просвечива­ ние и УЗД, методы дефектоскопии поверхностных и подповерх­ ностных дефектов: магнитопорошковая дефектоскопия, травление и люминесцентный контроль. Для увеличения выявляемое™ де­ фектов обследование производилось после гидравлического испы­ тания сосуда внутренним давлением. Выявленные дефекты вышли­ фовывались до' полного удаления, в связи с чем имелась возмож­ ность определения их реальной глубины. Вероятность обнаруже­ ния дефектов в зависимости от их глубины показана на рис. 14 (кривая 2). Как следует из приведенной зависимости, размер де­ фекта а** составляет 9 мм. Это дает возможность оценить мини­ мальное значение коэффициента у:

Для оценки прочности конструкции с учетом возможного суще,! ствования в ее металле исходных дефектов необходимо опреде­ лить величину усталостных трещин, которые могут развиться от дефектов размером а** за время эксплуатации.

На рис. 15 представлены кривые, показывающие увеличение исходного размера дефекта в зависимости от числа циклов нагру­

30

жения для различных уровней условных местных напряжений. Анализ выполнялся для зон концентрации, как для наиболее на­ груженных участков конструкций.

Как следует из рис. 15, величина подрастания дефекта за до­ пускаемое число циклов нагружения не превосходит 2,0 мм. При­ нимая во внимание приближенность анализа, когда не учитыва­ лось влияние на процесс развития трещины целого ряда эксплуа­ тационных факторов (повышенных температур и коррозионного воздействия рабочей среды), при проведении такого рода оценок

следует вводить коэффициенты запаса по долговечности nN. Вели­ чину этого коэффициента следует устанавливать в соответствии с принятой системой коэффициентов запаса при расчетах на цик­

для всех рассматриваемых случаев максимально возможный раз­ мер дефектов примерно одинаков и не превышает 2 а**. Это позво­ ляет учитывать возможное подрастание исходного дефекта путем введения коэффициента запаса по размеру дефекта па= 2,0. Про­ веденный анализ дает возможность установить связь между суще­ ствующим уровнем контроля качества конструкции и возмож­ ностью использования для ее изготовления материалов повышен­ ной прочности.

31

На рис. 16 представлена зависимость максимального уровня от­ ношения /Cic/oo,2 Для конструкционных сталей с различным преде­ лом текучести, которое характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению. На основании этой зависимости можно оце-

Рис. 16. Оценка возможного изменения прочности применяемого матерала в связи с улучшением ка-.

чества дефектоскопического контроля:

1 — изменение максимальной величины отношения

Kic/oo.t б зависимости от сто,г; 2 —изменение мак­ симального размера критического дефекта по условию хрупкого разрушения в зависимости от (То,2 при комнатной температуре

нить критический размер дефекта для зон концентрации напряжений. Как видно из графика, с повышением предела текучести материа­ ла размер уменьшается. Если принять, что современный уровень контроля качества сосудов давления характеризуется размером дефекта а** = 9 мм, то с учетом na= 2 граница возможного приме­ нения материалов повышенной прочности для их изготовления на­ ходится в районе о о ,2 = 90 кгс1мм2. Для перехода на более прочные стали необходимо улучшить качество изготовления продукции и повысить выявляющую способность дефектоскопических методов-. Так, например, применение для выявления поверхностных и под­ поверхностных дефектов методом магнитопорошковой дефектоско­ пии может снизить значение а* до 3,0—4,0 мм. При этом расчет­ ный размер дефекта с учетом у —1,5 и /га= 2,0 будет равен 12 мм, что позволит применять для изготовления конструкций стали, имеющие сто,2 = 90—ПО кгс/мм2.

32

В заключение еще раз необходимо отметить некоторую услов­ ность полученных выше количественных оценок, так как в целом ряде конкретных случаев на протекание процессов разрушения мо­ гут оказывать влияние дополнительные неучтенные факторы. Это может привести к изменению принятых коэффициентов запаса и соответственно к иным количественным результатам. Тем не менее показанные взаимосвязи между системой дефектоскопического контроля, применяемой при изготовлении продукции, и прочностью конструкций являются достаточно общими и могут быть использо­ ваны при разработке комплекса мероприятий по повышению на­ дежности сварных узлов оборудования.

В Ы В О Д Ы

Проведенные исследования по оценке сопротивления разруше­ нию сварных соединений с дефектами при циклическом нагруже­ нии показали, что такие концентраторы могут являться источника­ ми усталостных разрушении, приводя к заметному снижению рабо­ тоспособности конструкций. При этом следует учитывать три ста­ дии разрушения: появление усталостного повреждения, подраста­ ние усталостной трещины до критического размера и ее последую­ щее нестабильное развитие. Полученные результаты позволяют сделать следующие основные выводы:

1.Технологические дефекты сварных соединений при малоцик­ ловом нагружении приводят к заметному снижению сопротивления усталостному разрушению, что учитывается с помощью коэффици­ ента снижения усталостной прочности Kf, значения которого для наиболее распространенных технологических вариантов приведены

втабл. 1.

2.Подход к оценке влияния дефектов на усталостную проч­

ность сварных соединений должен выполняться с учетом их харак­ тера. Для дефектов округлой формы типа газовых пор и сфериче­ ских шлаковых включений эта оценка должна производиться по критерию зарождения усталостного повреждения. При оценке влияния на Циклическую прочность трещиноподобных дефектов типа вытянутых или острых шлаковых включений, непроваров и трещин следует иметь в виду, что они могут служить инициатора­ ми усталостного разрушения уже на первых циклах нагружения, в связи с чем необходимо проводить учет процессов развития усталостных трещин в металле конструкции.

3.Характеристики сопротивления распространению усталост­ ной трещины т и С для материалов одного структурного класса зависят от предела текучести и с возрастанием последнего т — уменьшается, а С — возрастает.

4.Сварные швы малоуглеродистых и низколегированных ста­

лей, исследованные в настоящей работе, обладают меньшим со­ противлением распространению усталостной трещины по сравне­ нию с соответствующими основными материалами. Скорость роста-

33'