Вступ
Більшість магістральних трубопроводів (МТ) експлуатують вжетривалий час, постійно зростає їх відсоток із відпрацьованим нормативним терміном. У зв'язку з цим з кожним роком загострюється проблема діагностування МТ з рекомендаціями щодо можливостей подальшого їх використання . Різноманітні обстеження МТ показали, щотермін їх безпечної експлуатації у значній мір ізалежить від корозійної стійкості металу та надійност ізварних з’єднань. Особливо це стосується багатошарових монтажних швів,які після зварювання часто не піддаються додатковій технологічній обробці з метою зменшення залишкових напружень. Вони можуть істотно впливати на міцність і довговічність трубопроводів тривалої експлуатації з дефектами, особливо при циклічному навантаженні. У зв’язку з цим актуальним є дослідження, присвячене розвитку методу визначення технологічних залишкових напружень в монтажних кільцевих зварнихз’єднаннях і оцінки їх впливу на довговічність МТ з дефектами типу тріщин при циклічному навантаженні. Це і зумовило вибір теми наукової роботи, визначило предмет, мету, завдання та структуру досліджень.
1 Поняття про внутрішні напруження та їх класифікація
Класифікація напружень та деформацій при зварюванні
Розширення та скорочення металу від нерівномірного нагріву, або охолодження, а також від структурних перетворювань, утворюють так звані власні або внутрішні деформації і напруження при зварюванні. На відміну від напружень та деформацій які виникають в металі, внаслідок дії на нього навантаження. Власні напруження та деформації існують в тілі при відсутності будь яких зовнішніх навантажень. Власні напруження класифікують в залежності від причини що їх викликає:
Напруження від пружного або пластично механічного деформування при складані, монтажі та правлені;
Напруження від пружних і пластичних деформацій внаслідок нерівномірного нагрівання деталей;
Від нерівномірної зміни об’єму тіла при фазових перетворюваннях.
По часу існування напруження бувають:
Тимчасові які існують в період виконання технологічної операції;
Залишкові,які стійко зберігаються на протязі тривалого періоду часу.
По степені багатовісності:
Одновісні (лінійні);
Двовісні (площині);
Тривісні (об’ємні напруження).
Від об’єму в межах якого напруження взаємноврівноважені:
Напруження 1 роду (макрооб’єм);
Напруження 2 роду (в межах зерна, або просто зерно);
Напруження 3 роду (кристалічна решітка).
Відорієнтації в просторі:
Повздовжні орієнтовані та діють вздовж осі шва;
Поперечні-орієнтовані та діють перпендикулярно осі шва, в площині з’єднувальних елементів
Напруження що орієнтовані в напрямку перпендикулярному площині листа
;
При зварюванні закріплених елементів в них виникають залишкові напруження які називаються реактивними, вони врівноважуються реакціями в’язів (закріплень), і при знятті закріплень вони зникають. Власні напруження також класифікують в залежності від деформацій які вони викликають:
Загальні, змінюють форму всього об’єму;
Місцеві (які розповсюджуються на окремі елементи).
Причини виникнення напружень та деформацій
Поява в деталях і конструкціях зварювальних, або внутрішніх, напружень, спричинених зварюванням, небезпечна, оскільки, додаючись до напружень, що виникають від зовнішніх зусиль, вони можуть досягти значень, більших за допустимі. У такому разі в зварних швах або навколошовних ділянках можуть утворитися тріщини, які іноді призводять до руйнування зварної деталі чи конструкції. Деформації або короблення, більші за допустимі, потребують наступного правлення або механічної обробки, що значною мірою ускладнює процес виготовлення зварних конструкцій і знижує економічність зварювання.
Причини виникнення напружень і деформацій такі: нерівномірне нагрівання основного металу; ливарна усадка металу зварного шва і зміна об’єму металу в зоні термічного впливу при структурних перетвореннях металу.
Нерівномірне нагрівання основного металу є результатом нагрівання до високих температур лише тієї частини металу, що безпосередньо межує зі зварним швом. Вільній зміні її об’єму перешкоджають сусідні, холодніші ділянки, внаслідок чого в ділянках, що нагріваються, виникають напруження стискання, а в холодних – напруження розтягання. При досягненні границі текучості, що, як правило, й відбувається в зварюванні, в нагрітих ділянках виникають пластичні деформації. Під час охолодження металу в цих зонах виникають напруження розтягання, які є вже залишковими, або внутрішніми, напруженнями, що призводять до появи в зварних виробах деформацій або короблень.
Ливарна усадка металу шва може бути поздовжньою і поперечною. Прикладом поздовжньої може бути усадка, що виникає при зварюванні в стик двох листів великої довжини. В процесі зварювання внаслідок поздовжньої усадки зменшується зазор між кромками листів. Коли кромки зійдуться впритул, то при невеликій товщині листів вони почнуть наповзати один на одного.
Прикладом поперечної усадки може бути зварювання в стик листів із У-подібним розкриттям кромок. Оскільки об’єм наплавленого металу з широкого боку шва більший, то й усадка тут буде більшою. Через це листи після зварювання деформуються.
Зміна об’єму металу внаслідок структурних перетворень відбувається в зоні термічного впливу головним чином при зварюванні металів, схильних до гартування. Напруження, що виникають при цьому, можуть бути настільки значними, що часто саме вони є причиною утворення тріщин при зварюванні деталей з цих металів.