Винокуров - Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

В.А. Винокуров С.А. Куркин Г.А. Николаев

СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ И КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Под редакцией Б.Е. Патона

Москва "Машиностроение" 1996

Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований

Винокуров В.А. и др.

Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности / В.А. Винокуров, С.А. Куркин, Г.А. Николаев; Под ред. Б.Е. Патона — М.: Машиностроение. 1996. — 576 с: ил.

Наряду с анализом существующих и традиционно используемых приемов испытаний и расчетов сварных соединений и конструкций систематизировано изложены современные подходы к постановке расчета сварных соединений с учетом наличия в них несплошностей на основе использования ЭВМ и метода конечных элементов, а также идей линейной и нелинейной механики разрушения, в том числе применительно к случаю страгивания и роста несквозной трещины по толщине элемента

Для научных работников, расчетчиков, технологов, проектировщиков и испытателей, работающих в отраслях тяжелого и транспортного машиностроения, тепловой и атомной энергетики, космонавтики, сельскохозяйственного машиностроения, судостроения, трубопроводного транспорта, строительства

© Издательство "Машиностроение", 1996

ПРЕДИСЛОВИЕ

Монография представляет собой систематизированное обобщение исследований в области прочности сварных соединений и конструкций, проведенных на кафедре сварки МГТУ им. Н.Э. Баумана. Авторы внесли наибольший вклад в создание и развитие хорошо известной в стране и за рубежом научной школы прочнистов-сварщиков.

С 1947 по 1989 гг. научную школу сварщиков и кафедру "Машины и автоматизация сварочных процессов" возглавлял крупный ученый в области сварки Герой Социалистического Труда, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, академик Г.А. Николаев. Создание теории прочности сварных конструкций явилось результатом содружества Г.А. Николаева, Н.С. Стрелецкого и Е.О. Патона. Впоследствии работы Г.А. Николаева по исследованию прочности сварных соединений и конструкций стали теоретической и инженерной основой применения сварки в производстве. По его проектам были изготовлены первые сварные железнодорожные мосты, разработаны технологические процессы сварки.

Благодаря трудам специалистов-прочнистов на возглавляемой Г.А. Николаевым кафедре была разработана теория сварочных деформаций и напряжений, базирующаяся на новейших достижениях изотермической теории пластичности, методе конечных элементов и широком использовании ЭВМ. Большой вклад в постановку и развитие этих работ внес проф., д-р техн. наук В.А. Винокуров.

Работы по прочности при низких температурах, конструкционной прочности тонкостенных сосудов давления, по анализу развития разрушения оболочковых конструкций д-ра техн. наук С.А. Куркина явились основополагающими по соответствующим разделам теории прочности сварных конструкций.

Научное редактирование и окончательная подготовка рукописи к печати проделана С.А. Куркиным, большая помощь в подготовке рукописи оказана А.С. Куркиным. По просьбе основных авторов глава 13 и § 14.7 главы 14 написаны В.Ф.Лукьяновым.

Зав. кафедрой "Машины и автоматизация сварочных процессов" МГТУ им. Н.Э. Баумана академик РИА, проф. д-р техн. наук Н.П. Алешин

Глава 1

РАЗРУШЕНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ

§ 1.1. Применение сварки в конструкциях

Разработка научных основ проектирования конструкций проводилась в ИЭС им. Патона, МВТУ им.Баумана, ЦНИИТМАШе, ЦНИИСКе и др. Рационализация проектирования и типизация изделий проводилась ЦНИИпроектстальконструкцией им. Н.П.Мельникова и рядом других организаций.

Блестящими примерами на заре применения сварки было создание сварных мостов под автодорожное движение в Ленинграде (мост имени лейтенанта Шмидта) во второй половине 30-х годов и в ВСиеве (мост имени Е. О. Патона) во второй половине 40-х годов.

Применение сварки в мостостроении сыграло выдающуюся роль в развитии сварочной техники в металлоконструкциях всех видов. Сварной железнодорожный мост являлся своего рода флагманом, иллюстрирующим безопасность и надежность работы сварных соединений в наиболее трудных эксплуатационных условиях.

В мостах, в особенности со сквозными фермами, сочетаются мночисленные трудности применения сварки:

— высокие напряжения в элементах во время эксплуатации, наличие ярко выраженных динамических нагружений;

— большое число высоконапряженных швов,в том числе угловых и относительно сложные конструктивные формы узловых сопряжений элементов ферм;

— ударное воздействие подвижного состава в стыковых накладках рельсов, в том числе в условиях низких температур;

— наличие элементов, пересекающихся в разных направлениях в пространстве, что создает трудные условия для монтажной сварки.

Поэтому естественно, что демонстрация возможности создания сварных конструкций мостов стимулировала применение сварки в других, более легких случаях эксплуатации.

Второй отраслью техники, значительно способствовавшей применению сварки, являлось судостроение. Сварка в судостроении стала применяться с начала 30-х годов.

§ 1.2. Разрушения конструкций

Разрушения конструкций крайне многоообразны и далеко не всегда своим источником имеют нарушение прочности сварных соединений.

Значительная группа конструкций потерпела аварию вследствие отступлений при изготовлении относительно проекта. Например, разрушения имели место вследствие неучета состояния оснований под опоры конструкций. Это приводило к неравномерной осадке фундаментов, вызывавшей перегрузку отдельных частей сооружений, иногда менявшую статическую схему сооружения.

Много разрушений конструкций произошло в результате нарушения правил монтажа: использование элементов с недопустимыми дефектами, строповка за элементы конструкции вне узлов, несвоевременная постановка связей. Лавинообразные разрушения большой протяженности имели место в газопроводах.

В 30-х годах ряд сварных мостов с решетчатыми фермами был сооружен в Бельгии через канал Альберта. В некоторых из них появились трещины, а один пролет 74,5 м внезапно обрушился при отсутствии на нем полезной нагрузки. В качестве причин разрушения были признаны: применение хрупкой томасовской стали, значительные по величине остаточные напряжения. После этого подобных катастроф в мостостроении не было, но трещины образовывались нередко.

Разрушения имели место в крупных сварных судах типа "Либерти", Построенных в большом количестве в США во время войны в начале 40-х годов. Эти разрушения были вызваны главным образом наличием резко выраженных концентраторов напряжений, а также недостаточной стойкостью материала против хрупкого разрушения. Во многих судах появлялись трещины, несколько судов переломилось. В результате учета этих недостатков крупные разрушения сварных судов прекратились.

Разрушения сварных соединений при низких температурах почти При полном отсутствии внешних нагружений явления редкие, но все же имеющие место в эксплуатации. Как правило, они наступают при понижении температуры и наличии ветра, способствующего охлаждению конструкции с одной стороны. Были единичные примеры подобных разрушений на Севере сварных кранов, известно самопроизвольное разрушение сварных сферических сосудов в условиях мороза.

§ 1.3. Проблема обеспечения надежности сварных конструкций

К факторам, вызывающим разрушения в несварных конструкциях, использование сварки добавляет факторы. связанные как с конструктивным оформлением сварных соединений, так и с технологией их изготовления.

Так, на стадии проектирования выбранный тип соединения предопределяет появление конструктивных концентраторов напряжений, а назначение метода и приемов сварки — появление характерных технологических дефектов, вероятность обнаружения и исправления которых в процессе изготовления будет определяться" уровнем культуры производства. Естественно, эти концентраторы напряжений, как конструктивного, так и технологического характера, в условиях эксплуатации сварной конструкции становятся потенциальными источниками разрушений.

Из вышесказанного следует, что обеспечение надежности машин и конструкций, понимая под этим вероятность безотказной работы в эксплуатации до наступления предельного состояния разрушения, является особенно острой проблемой при наличии сварных соединений.

Решение этой весьма сложной задачи применительно к сварной конструкции конкретного типа требует как освоения опыта проектирования, изготовления и эксплуатации данного вида конструкций, так и учета достижений науки в области теплофизики, металлургии, металловедения, прочности, теории упругости и пластичности, механики разрушения, автоматики и электроники.

Источники разрушений, связанные с применением в конструкциях сварных соединений, достаточно разнообразны.

Прежде всего это технологические несплошности (дефекты), которые могут возникать в процессе производства сварных конструкций. Наличие несплошностей, а также конструктивных концентраторов напряжений, связанных с резкими переходами от основного металла к металлу шва или от одного элемента к другому, может способствовать снижению надежности сварного соединения. Их отрицательное влияние иногда проявляется даже в случае статического приложения нагрузок при неблагоприятном сочетании с собственными напряжениями при действии низких температур или агрессивных сред. Наиболее сильное влияние наличия несплошностей имеет место при работе конструкции под усталостной нагрузкой. В этом случае даже небольшой дефект или концентратор может стать источником зарождения трещины.

Ни один из существующих способов сварки не обеспечивает гарантированного бездефектного сварного соединения без последующего исправления. Это объясняется тем, что на качество сварных соединений оказывают влияние многие факторы не только металлургического, но и технологического, а также организационного характера, задача регулирования и поддержания которых в необходимых пределах полностью не решена.

Рациональное и квалифицированное использование существующих методов контроля обычно дает достаточно объективную информацию о состоянии контролируемых сварных соединений. Сопоставление данных контроля качества конкретного изделия с данными нормативных документов отрасли позволяет решать вопросы приемки этого изделия или исправления тех дефектов, параметры которых выходят за пределы допустимости.

Ограниченность такого подхода заключается в отсутствии непосредственных связей между данными нормативно-технологических документов и процессами разрушения в случае наличия тех или иных дефектов. Поэтому надежность приходится обеспечивать косвенно, путем регламентации уровня качества технологического процесса, а не уровня работоспособности сварной конструкции в эксплуатации.

Соблюдение требований нормативно-технологических документов необходимо как средство поддержания дисциплины производства, ограничивающее допуск к эксплуатации изделий по уровню дефектности. Однако этот уровень дефектности условен. Если обнаруженный При приемочном контроле или в процессе эксплуатации Дефект несколько выходит за пределы норм, то нередко возникает сомнение, насколько обоснована браковка изделия, когда исправление дефекта Оказывается трудно осуществимо или невозможно. Решение о допуске К эксплуатации без исправления дефекта может быть принято, только если выполнен контрольный расчет, показывающий, что в процессе эксплуатации изделия зарождение трещины от дефекта и последующий рост этой трещины еще не приведут к наступлению предельного состояния разрушения в пределах заданного ресурса. До настоящего времени такие подходы в расчетах еще не получили достаточно систематизированного изложения даже применительно к однородному металлу, не говоря об учете возможной неоднородности механических свойств сварных соединений. Изложению подобных вопросов применительно к оценке работоспособности сварных соединений и конструкций, посвящен ряд последующих глав настоящей монографии.

Глава 2

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

§ 2.1. Виды требований к сварным конструкциям

Различают требования технологические, регламентирующие уровень качества технологического процесса на стадии изготовления конструкции, и требования эксплуатационные, которые имеют целью обеспечение работоспособности конструкции.

В определенной мере технологический характер имеет требование равнопрочности сварного соединения основному металлу. Оно включает в себя не только требование не уступать основному металлу по прочности. В широком смысле этого понятия речь идет о полной равноценности сварного соединения и основного металла. Требование равнопрочности может служить своеобразной целью или эталоном качества технологического процесса, даже если в этом нет особой необходимости, являться стимулом к разработке новых методов сварки, сварочных материалов, технологий и сварочного оборудования. Под влиянием этого требования проводятся различные мероприятия, направленные на устранение недостатков, свойственных сварочному процессу, например применение термической обработки для снижения остаточных напряжений или устранения механической неоднородности.

Для некоторых металлов с особыми свойствами, главным образом для высокопрочных, требование равнопрочности обеспечить не удается. Ко многим сварным конструкциям предъявляются требования в отношении термической обработки после сварки. Они в той или иной мере связаны с повышением прочности, пластичности и вязкости металла, точности изготовления, обрабатываемости, предотвращения образования дефектов и т.д. Применение термической обработки для сварных конструкций, ее режимы и эффекты, достигаемые ею, составляют крупную проблему, рассмотрение которой далеко выходит за пределы настоящей монографии. Перечислим лишь основные случаи применения термической обработки в плане достижения конкретных результатов.

1. Снижение уровня остаточных сварочных напряжений путем отпуска сварных конструкций [25]. Для сталей низкой и средней прочности одновременно устраняются последствия наклепа, вызванного пластической деформацией, значительно восстанавливается пластичность металла, утраченная в результате деформационного старения. Для ряда других сталей отпуск полезен главным образом как средство для уменьшения твердости закаленных участков и повышения вязкости металла.

2. Нормализация или закалка с целью повышения прочности, пластичности и вязкости металла сварного соединения [98]. Применяют эти виды термической обработки, в частности, после электрошлаковой сварки для измельчения зерна, повышения ударной вязкости и прочности сварных соединений. При сварке высокопрочных сталей эти операции необходимы для получения высокой прочности сварных соединений.

3. Отпуск с целью стабилизации структур. Используется для предотвращения образования холодных закалочных трещин, если проводится непосредственно после завершения сварки для распада неустойчивых структур [179] или если ставится цель добиться стабильности размеров во времени [271].

4. Термическую обработку выполняют также для повышения жаропрочности сварных соединений [92], коррозионной стойкости [289] и др. Мотивированное и грамотное принятие решения о необходимости проведения термической обработки в ряде случаев требует учета противоречивых требований.

Ко многим сварным конструкциям предъявляют различные требования точности. Одна из групп этих требований относится к конструкциям, которые после сварки, не могут быть выправлены или обработаны механически, например, при изготовлении сварных деталей крупногабаритных машин и механизмов, удовлетворительная работа которых существенно зависит от точности исполнительных размеров. Предотвращение отклонений от этих размеров требует не только точной сборки, но и ограничения деформаций и перемещений от сварки. Другую группу составляют требования, предъявляемые к сварным конструкциям, идущим на механическую обработку. Отклонения от заданных размеров в этом случае не должны превышать припуски на механическую обработку.

Определенную группу составляют требования точности в отношении формы поверхностей для вагонов, автомобилей, корпусов судов, предметов бытовой техники и др. Характерными для сварных соединений являются требования по сплошности металла шва. Эти требования встречаются практически почти во всех технических условиях на сварные конструкции, поскольку непровары, несплавления, поры и другие несплошности являются следствием нарушения сварочного процесса. Анализ этих требований показывает, что они имеют как эксплуатационное, так и технологическое происхождение.