книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

зоны термического влияния по обеим сторонам шва и тут же охлаждают их струями воды, чтобы предотвратить прогрев самого шва. Максимальную температуру нагрева тщательно контролируют так, чтобы она находилась вблизи оптимальной температуры, равной приблизительно 200° С, т. е. заведомо недо­ статочной для возникновения пластической деформации в нагре­ ваемых зонах. Нагретые зоны, стремясь удлиниться, растяги­ вают сварной шов, так что после охлаждения растягивающие напряжения в шве оказываются почти полностью снятыми. Данный метод имеет два недостатка: 1) для него требуются нагревательные устройства, позволяющие с высокой точностью поддерживать температуру, и 2) конструкционные материалы обладают недостаточной теплопроводностью для полного про­ грева листа толщиной более 25 мм.

Технические условия для методов снятия напряжений

Для хорошего метода показательно, что его технологию вырабатывают в большинстве случаев эмпирически задолго до того, как фундаментальные исследования находят для него объяснение и обоснование. Поэтому неудивительно, что такая ситуация возникла, в частности, при изготовлении сосудов дав­ ления, где фактически имело место и тепловое, и механическое снятие напряжений. Первое было явным или преднамеренным, а второе — попутным при гидравлическом испытании сосудов. Следует отметить, что, с одной стороны, сосуды давления удобны для проведения этих операций, но, с другой стороны, гидроиспы­ тание (перегрузка) весьма опасно, так как при разрушении сосудов высвобождается большая энергия и возможны катастро­ фические последствия. Но разрушение не менее опасно и для конструкций других типов. Например, удивительно, что забыта старая практика испытания мостов путем нагружения (из-за необходимости огромной нагрузки) и проверка прочности судов под значительной изгибающей нагрузкой при спуске на воду.

Технические условия гидростатических испытаний и снятия напряжений, принятые в различных странах, мало различаются; типичными можно считать английский, немецкий и американский стандарты [3]. В них перечислены материалы, подвергаемые снятию напряжений; для каждого типа малоуглеродистой или низколегированной стали основной характеристикой является переходная температура, определяемая испытанием на ударную вязкость. Переходная температура этих видов стали (например, если она определяется на образцах Шарли) оказывается более высокой у образцов из стали меньшей толщины, что связано со структурными изменениями, обусловленными различной техно­ логией прокатки листа разной толщины. Для удовлетворения минимальных требований по ударной вязкости (которые, однако,

181

не исключают возможности хрупкого разрушения при темпера­ турах, гидравлического испытания или эксплуатации) приме­ няется сталь более высокого качества.

Общепринятым методом для сварных конструкций из угле­ родистой стали является тепловое снятие напряжений (при толщине листа свыше 30 мм) и гидростатическое испытание готовых изделий при любых толщинах. Имеются исключения: например, 9%'Ная никелевая сталь и некоторые алюминиевые сплавы, обладающие высокой пластичностью при низких темпе­ ратурах, в которых снятие напряжений не имеет смысла.

В отношении ударной вязкости требования американских и английских технических условий для материалов с толщиной менее 30 мм, работающих при весьма низких температурах, по­ степенно снижаются. Более того, в этих странах практикуется применение сравнительно тонкостенных конструкций без снятия напряжений гидроопрессовкой и испытаний материала на удар­ ную вязкость для работы при низких температурах, что полностью отражает опыт безаварийной эксплуатации тонко­ стенных изделий в условиях пониженных температур и, как бу­ дет показано ниже, подтверждается результатами лабораторных испытаний и анализа их на основе линейной механики раз­ рушения.

В отличие от сосудов технология сооружения корпуса кораб­ ля исключает применение любого метода снятия напряжений, и поэтому требования по пластичности материала в этом случае более жесткие.

Технические условия во всем мире, за редкими исключе­

В то же время надо сказать, что различие по толщине листов и рабочей температуре для корпусов кораблей несравненно мень­ ше, чем для сосудов давления.

Имеется большое количество данных по авариям в резуль­ тате хрупкого разрушения конструкций; ссылка на обзор этих данных была приведена во введении к настоящей книге. Обоб­ щение этих данных показывает, что опасность разрушения сварных конструкций из углеродистых сталей в процессе эксплуатации намного уменьшается при удовлетворительном проведении теплового или механического снятия напряжений. Следует иметь в виду, что механическое снятие напряжений, для которого необходимо испытание конструкции при больших перегрузках, сопряжено с риском развития исходных дефектов

182

или появления новых и, следовательно, повышением опасности разрушения. Этот риск можно уменьшить путем повышения температуры гидравлического испытания, что, однако, может

некоторые из которых были большого размера, а некоторые, вероятно, неопасные, могли остаться необнаруженными. Вообще говоря, опасность разрушения конструкций, подвергнутых сня-* тию напряжений, резко возрастает с увеличением толщины листа

явились причиной этой аварии.

Сварной резервуар (термически не обработанный) для жид­ кой углекислоты был специально разрушен внутренним давле­ нием при —8° С после многолетней эксплуатации [7]. Он прора­ ботал 24 года при температурах до —40° С, после чего был снят с эксплуатации ввиду появления внутренних дефектов, и

давлении 0,35 кгс/мм2, хотя у выпускной горловины, являющей­ ся концентратором напряжений, перед началом разрушения были обнаружены большие трещины. Эти трещины были покры­ ты темным слоем высокотемпературного окисла, показывающим, что они возникли еще при сварке. Трещины развились на глу­ бину до 95%) толщины стенки, которая была 12,7 мм. Другие трещины в основных швах резервуара были обнаружены внутри резервуара; они занимали треть толщины на довольно большой длине. Ударная вязкость (по Шарли) при —8° С составляла 0,97 кгс-м. Нет сомнений, что этот сосуд разрушился бы с са­ мого начала эксплуатации при давлении 0,26 кгс/мм2 и темпе­ ратуре —40° С. Длительный срок службы сосуда следует отнести за счет предварительного гидравлического испытания при нор­

183-

мальной температуре. Этот пример показывает, что скорость развития дефектов под действием колебаний давления может быть небольшой в условиях работы при низких температурах, если, конечно, число циклов полного изменения давления не слишком велико. Таким образом, механическое снятие напряже­ ний путем перегрузки, как мера предупреждения развития разрушения, может действовать ограниченное время в зависи­ мости от того, насколько часто изменяется нагрузка в процессе эксплуатации, после чего желательно или обязательно провести повторное снятие напряжений механическим или термическим методом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Если сравнить результаты испытаний надрезанных образцов

повышение ударной вязкости. То же самое было бы справедливо, если бы предварительная деформация материала имитировала механическое снятие напряжений. Однако для воспроизведения условий эксплуатации в лаборатории необходимо анализировать результаты испытания специальных образцов, наиболее точно представляющих реальное сварное изделие. Подходящими для этой цели являются испытания на растяжение широких сварных надрезанных пластин, описанные в гл. 2. Эти испытания пред­ почтительнее испытаний на изгиб, с помощью которых на таких же образцах было установлено существенное влияние снятия напряжений на хрупкую прочность [8].

Испытания пластин без резких концентраторов напряжений из малоуглеродистой стали [9, 10] подтверждают, что если нет надрезов (или трещин), то хрупкого разрушения обычно не происходит даже при температурах до —100° С. Даже если имеется один или несколько коротких внутренних надрезов (длиной не более 25 мм), хрупкое разрушение происходит при напряжении не ниже предела'текучести, и при этом наблюдается некоторая пластическая деформация во всем образце. Если же надрез достигает границы оплавления или зоны термического влияния сварного шва, разрушающее напряжение оказывается ниже предела текучести [11]. Такое падение разрушающего на­ пряжения ниже предела текучести может быть резким, как для пластин толщиной 25 мм из стали Р (рис. 1,а), или более «раз­ мытым», как для стали S (рис. I, б). Разрушение при низком напряжении может быть задержано короткой трещиной, если оно началось при напряжении 7 кгс/мм2 или менее (см. гл. 2), или может пройти без остановки через всю пластину при более

184

высоком напряжении. Для продолжения задержанного разру­ шения обычно требуется повышение нагрузки.

В этих испытаниях сварных образцов есть несколько момен­ тов, показывающих роль некоторых механических и физических

факторов, о чем следует сказать, прежде чем перейти к даль­ нейшему обсуждению поведения материала после снятия напряжений.

Во-первых, в образцах, результаты испытания которых показаны на рис. 1,а, продольный шов был выполнен вручную в нижнем положении в несколько проходов электродами с раз-

185

личной обмазкой. Кромки свариваемых пластин имели симмет­ ричную Ѵ-образную разделку. Надрезы были нанесены с одной стороны на постоянную глубину 5 мм ювелирной пилкой толщи­ ной 0,15 мм. Были применены электроды с обмазкой двух типов: из двуокиси титана и известкового плавикового шпата (низко­ водородистые), в результате чего наплавленный металл в зоне надреза имел различные свойства. В первом случае было обна­ ружено большее или меньшее количество трещин после сварки, которые были видны на разрушенных образцах, и поскольку они были покрыты темным слоем окисла, это свидетельствовало об их появлении при сварке, т. е. до испытания. Такие же трещины в образцах, сваренных электродами с низководородистой об­ мазкой, были обнаружены лишь в нескольких случаях. Первые образцы обладали более низкой хрупкой прочностью, чем вто­ рые, причем наблюдалась тенденция к более раннему зарожде­ нию трещин в наплавленном металле с пропорционально мень­ шей длиной остановившихся трещин и соответственно меньшим их количеством при разрушении. Однако это можно объяснить главным образом тем, что в образцах, сваренных электродами с обмазкой из двуокиси титана, в исходном состоянии были дефекты большего размера.

Во-вторых, при увеличении толщины пластин, сваренных электродами с обмазкой из двуокиси титана, до 76 мм окислен­ ные (исходные) трещины становились настолько опасными, что вызывали иногда самопроизвольное хрупкое разрушение при охлаждении после сварки [12, 13]. Сварной шов в этих образцах наносили вручную за 70 проходов симметричным образом, по­ этому наблюдался заметный кумулятивный эффект, при котором в слоях, наложенных первыми, постепенно релаксировали оста­ точные сжимающие напряжения, создававшиеся при охлажде­ нии слоев, наложенных при последующих проходах. Это было доказано путем разрезки образца на темплеты вдоль шва пер­ пендикулярно и параллельно поверхности пластины. В темплетах, вырезанных из центральной (срединной) зоны, упругие деформации разгрузки были незначительными, тогда как в по­ лосах, находившихся вблизи наружной поверхности, остаточные растягивающие напряжения были почти равны пределу текуче­ сти. Этим же можно объяснить более низкую хрупкую прочность вследствие наличия пропилов вблизи наружной поверхности.

В третьих, испытания на ударную вязкость образцов, выре­ занных из зоны термического влияния так, что ось их надреза была расположена на различном расстоянии от наплавленного металла, показали, что характер кривой на диаграмме ударная вязкость — температура отличается от такой кривой для исход­ ного (основного) металла [14]. Снижение ударной вязкости на­ блюдается, как правило, на малоуглеродистой стали, что свиде­ тельствует о вредном влиянии термического цикла и пластиче­ ской деформации при сварке, причем зона наибольшего падения

• 186

/

s/

вязкости лежит в 5 мм от линии сплавления, т. е. на таком рас­ стоянии, на которое были сделаны пропилы в надрезанных сварных пластинах, испытания которых были описаны выше. Эта закономерность не является общей, так как у низколеги­ рованной стали некоторых марок в этой области сварного соединения нет зоны с ухудшенными свойствами. Испытания надрезанных сварных пластин, проведенные на такой стали,

заметно повышает хрупкую прочность надрезанных сварных образцов из малоуглеродистой стали. Вообще, пластины основ­ ного металла толщиной 25 мм из горячекатаной стали с 0,2% С и 0,7—1,5% Мп, спокойной или полуспокойной, в состоянии по­ ставки или нормализованной, не разрушаются при низких напря­ жениях при температурах выше — 100° С, тогда как для сварных образцов это происходит при температурах около 0°С. Общая деформация при разрушении сварных образцов, отпущенных при 650° С, как показано на рис. 2, а, составляет около 1% при низких температурах и увеличивается при температурах испыта­ ния, вблизи которых наблюдается переход к разрушению при низких напряжениях. Более толстые пластины из такой стали характеризуются таким же поведением, однако, как видно на рис. 2, б, деформация при их разрушении меньше [12, 13]. Увели­ чение толщины сказывается на снижении прочности, в частности,

187

вследствие увеличения размера дефектов, причем увеличение времени выдержки при тепловом снятии напряжения (отпуске) свыше 1 ч почти не дает эффекта. Продолжительность выдержки обычно выбирают из расчета около 1 ч на каждый дюйм толщи- "ны. Это эмпирическое правило отражает медленность выравни­ вания температуры по толщине из-за недостаточной теплопровод-

.ности, что особенно проявляется при больших толщинах.

Было показано, что прочность и сопротивление ползучести малоуглеродистой стали некоторых марок снижаются при про­ должительном нагреве для снятия напряжений, который необходим при термической обработке хрупких толстостенных сосудов давления на месте монтажа. Этот эффект выражен не­ сколько резче, если малоуглеродистая сталь раскислена не только кремнием, но и алюминием.

Представляет интерес рассмотреть также влияние терми­ ческой обработки при температурах ниже 650° С. На рис. 2, а показана зависимость пластической деформации при разруше­ нии надрезанных сварных пластин из малоуглеродистой стали, отпущенных при разных температурах. Оптимальным является интервал температур 600—650° С; даже весьма продолжитель­ ный нагрев при более низкой температуре оказывается менее эффективным. Поэтому если к сварному изделию одновременно предъявляются требования по высокому сопротивлению, хруп­ кому разрушению и высокотемпературной ползучести, назначе­ ние режима термической обработки (температуры и выдержки) должно быть компромиссным.

Влияние механического снятия напряжений изучалось глав­ ным образом путем испытаний на растяжение надрезанных сварных пластин толщиной 25 мм из полуспокойной малоугле­ родистой стали; переход к разрушению от низких напряжений

всварных образцах без надреза из этой стали происходит при температуре ниже комнатной [17, 18]. В таких случаях предва­ рительную нагрузку можно осуществлять без каких-либо опа­ сений при нормальной температуре. В испытаниях, проведенных

вАнглии и Японии, результаты которых приведены в табл. 1, предварительная нагрузка для снятия напряжений производи­ лась при комнатной температуре. Последующие испытания при пониженных температурах показали, что во всех случаях, кроме одного, разрушение происходило при напряжениях, превышаю­ щих напряжения предварительной перегрузки, без заметной пластической деформации перед разрушением. Наличие такой же зависимости величины разрушающей нагрузки от предва­ рительной было установлено и в других исследованиях (в част­ ности, японских), в которых предварительная нагрузка не пре­ вышала предела текучести.

Общий характер результатов этих испытаний был исполь­ зован для оценки влияния предварительного нагружения приме­

нительно к сосудам давления. Эти английские исследования

>188

проводились на цилиндрических сосудах из малоуглеродистой стали диаметром 1525 мм и толщиной стенки 25,4 мм, в которых были сделаны продольные длинные надрезы [19]. Длина надре­

зов составляла приблизительно 2 V радиус X толщина стенки. Было найдено, что разрушение от низких напряжений происхо­ дит даже при таких температурах, когда преобладает вязкое разрушение с изломом, расположенным под углом 45°, однако предварительная деформация при повышенных температурах повышает хрупкую прочность при низких температурах. Перед разрушением возле кромок надрезов наблюдалось значительное выпучивание стенок, вызванное внутренним давлением на отно­ сительно ослабленном участке.

Главным эффектом предварительного нагружения надрезан­ ных образцов является, по-видимому, возникновение пластиче­ ской деформации в зонах дефектов. Подтверждением этому может служить тот факт, что при предварительном нагружении зависимость нагрузки от удлинения заметно отклоняется от линейной, тогда как при разгрузке или повторном нагружении до такого же значения нагрузки она линейна. Справедливость такого вывода может быть проверена любым способом испы­ таний, при котором можно измерить нагрузку и удлинение

189

(деформацию). Нагрузка может быть приложена в виде растя­ гивающего усилия, изгибающего момента или внутреннего

исключающих возникновение хрупкой трещины), повышает сопротивление хрупкому разрушению при,последующем нагру­ жении при пониженной температуре.

Но так как операция предварительной перегрузки приводит, вообще говоря, к некоторому исчерпанию ресурса пластичности материала, то целесообразность механического снятия напря­ жений остается дискуссионным вопросом, например, для конструкций, работающих на «обычную» или малоцикловую усталость или в условиях активного (жесткого) деформиро­ вания.

Положительный эффект операции механического снятия напряжений наблюдается и в тех случаях, когда схемы пред­ варительного и последующего нагружения различны. В экспери­ ментах Грина [2], например, в которых надрезанные сварные пластины после низкотемпературного снятия напряжений рас­ тяжением нагружались изгибом, было показано, что полученный положительный эффект перегрузки соизмерим с описанным вы­

зонах, смежных со швом, а также градиента температуры при охлаждении этих зон струей воды [20]. Максимальная прочность, достигнутая после такой обработки, оказалась несколько мень­

напряжения по Кеннеди показали, что в этом случае очень важ­ но контролировать максимальную температуру нагрева околошовных зон, особенно если толщина пластин велика (бо­ лее 20 мм). При этом следует иметь в виду, что низкотемпера­ турное снятие напряжений является наиболее эффективным для таких конструктивных элементов, прочность которых зависит главным образом от условий работы поверхностных слоев мате­ риала (например, коррозия под напряжением или изгиб). Эффективность процесса низкотемпературного снятия напряже­ ний снижается с увеличением неоднородности свойств по тол­ щине листа.

190