книги из ГПНТБ / Вопросы нормирования технологических дефектов сварных соединений сосудов высокого давления

Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР ЛЕНИНГРАДСКИЙ ДОМ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОПАГАНДЫ

УДК 621.791.05.019

Г. П. КАРЗОВ. Б. Т. ТИМОФЕЕВ, В. П. ЛЕОНОВ, М. П. РОЗАНОВ, М. Ф. ЕГОРОВ

ВОПРОСЫ НОРМИРОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СОСУДОВ

ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

С е р и я — Прогрессивные методы обработки конструкционных материалов

Л е н и н г р а д

1974

Год. П

НЛУЧНд-Т» «»4М«Г-гЛЯЛ

<5идЛ*1Г> : *«" --0': д;- •■‘Гг: ‘ '

К ар зо в Георгий Павлович и др.

Вопросы нормирования технологических дефектов сварных сое­ динений сосудов высокого давления. ЛДНТП, 1974.

36 с. с илл. 5200 экз. 20 коп.

В работе приводится статистический анализ технологических дефектов в сварных швах сосудов высокого давления, выполненных различными методами сварки, и оцениваются наиболее вероятные их размеры по результатам дефектоскопического контроля. Для полу­ ченных размеров дефекта теоретич’еским и экспериментальным пу­ тем определяется степень снижения циклической прочности сварного соединения как по моменту зарождения усталостного повреждения, так и на стадии развития разрушения.

Работа рассчитана на конструкторов, технологов заводов и ра­ ботников научно-исследовательских институтов, занимающихся про­ ектированием, изготовлением и эксплуатацией сосудов высокого дав­ ления.

УДК 621.791.05.019

Ленинградская организация общ. «Знание» РСФСР.

ЛДНТП, 1974.

лее опасны, когда их плоскость перпендикулярна направлению основного нагружения, и характеризуются двумя размерами—длиной и шириной. Сферические или вытянутые полости типа пор, усадоч­ ных раковин, а в ряде случаев шлаковые включения имеют харак­ теристический размер — диаметр. Однако для неметаллических включений типа шлака, флюса или окислов следует рассматривать геометрические параметры во всех трех направлениях. С некото­ рой погрешностью шлаковые включения могут быть отнесены к плоским дефектам.

Таким образом, если не учитывать дефекты формы, искажаю­ щие профиль сварного соединения, все многообразие дефектов, встречающихся на практике, может быть приведено к двум основ­ ным типам:

дефекты округлой формы (газовые поры, сферические и вытя­ нутые полости шлака);

трещиноподобные дефекты (несплавления, непровары, трещи­ ны, закаты, различные неметаллические включения).

В связи с тем, что воздействие некоторых факторов на техноло­ гический процесс сварки носит случайный характер, расчет распре­ деления технологических дефектов в сварном шве может быть проведен только на основе статистического анализа. Такой анализ был выполнен применительно к различным сварным узлам и сое­ динениям сосудов высокого давления. Ниже приводятся резуль­ таты этой работы.

Статистический анализ качества сварных швов позволяет осу­ ществлять систематический контроль сварных соединений однотип­ ных конструкций. Количество технологических дефектов в сварных швах в процессе серийного изготовления изделий характеризуется плотностью их распределения. Расчет этой плотности производил­

а при необходимости — коэффициентами асимметрии и эксцесса. Статистической обработке подвергались данные контроля каче­

стве изделий обычно регистрируются в соответствующих журналах. Статистическая обработка качества сварных швов выполнялась для изделий, изготовленных из различных марок сталей. Анализ качества сварных швов проводился дифференцированно для каж­ дого типа сварного шва и марки стали с учетом толщины металла, которая колебалась от 36 до 130 мм.

На основании известных соотношений статистического анализа были вычислены дифференциальные и интегральные вероятности попадания размера шлакового включения в каждый разряд вари­ ационного ряда.

5

Средние арифметические величины размеров включений в мат­ рице сварного шва и средние квадратичные отклонения эмпириче­ ского закона распределения их приведены в табл. 1.

Таблица I

Результаты статистического анализа дефектов в сварных

Частота распределения величины шлаковых включений в сты­ ковых швах, выполненных автоматической сваркой под слоем флюса, и в угловых швах приварки патрубков, полученных ручной электродуговой сваркой, представлена на рис. 1 и 2. Частотные кривые нормального распределения шлаковых включений (рис. 2) показывают, что для рассмотренных сварных швов наибольшая вероятность появления — у технологического дефекта размером 2—3 мм. Рассматривая интегральные кривые распределения шла­ ковых включений, видно, что вероятность появления дефектов раз­ мером более 3 мм достаточно велика (~50% ).

Результаты статистического анализа свидетельствует о том, что реальные размеры технологических дефектов, встречающихся в сварных соединениях сосудов высокого давления, могут превос­ ходить допустимые размеры, устанавливаемые правилами контро-

6

ля. Учитывая, что в реальных условиях исправление таких дефек­ тов не всегда может быть произведено, при оценке влияния дефек­ тов на циклическую прочность сварных узлов следует ориентиро­ ваться. на наиболее вероятные их размеры, которые находятся в интервале 3—5 мм.

Р а зм е р ш т о б ы * Включении.нм

Что касается вопроса об оценке предельных состояний конст­ рукции, связанных с их хрупким разрушением, с целью уменьше­ ния возможной ошибки в опасную сторону следует, по-видимому, ориентироваться на такие размеры дефектов, вероятность превы­ шения которых достаточно мала. Это значение может быть уста­ новлено по интегральным кривым как размер дефекта, выше ко­ торого вероятность появления уже существенно не изменяется. Для большинства исследованных случаев данное условие выпол­ няется при размере дефектов 6—7 мм.

7

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ

СВАРНЫХ ШВОВ ПО МОМЕНТУ ЗАРОЖДЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ

Определив на основании статистического анализа диапазон из­ менения наиболее вероятного размера технологического дефекта для энергетического оборудования расчетным или эксперименталь­ ным путем, можно оценивать прочность и долговечность сварных соединений. Известно, что технологические дефекты сварки приво­ дят к заметному снижению усталостной прочности. Теоретически степень снижения может быть определена по гипотезе Петерсона,

ного сопротивления разрыву, уменьшаясь по мере возрастания сБ, и характеризует собой размер, на котором происходит сглажива­ ние пиковых напряжений в районе концентратора. Оценив величи­ ну этих напряжений, можно определить значение коэффициента снижения усталостной прочности за счет дефекта. Эта же схема демонстрирует и влияние абсолютных размеров дефекта. Таким об­ разом, гипотеза Петерсона дает результаты, качественно согласую­ щиеся с имеющимися представлениями о влиянии дефектов, и поз­ воляет применять математический аппарат для получения количе­ ственных оценок.

На основании гипотезы Петерсона и упругих решений Нейбера могут быть получены теоретические значения коэффициента сни­ жения усталостной прочности Kf для дефектов различной формы и размеров (В) применительно к материалам с различным уровнем прочности (рис. 3). Как следует из приведенных зависимостей, чув­ ствительность материала к дефектам с ростом уровня прочности значительно возрастает. Так как полученный результат хорошо подтверждается всей практикой исследования и эксплуатации, то эта теоретическая оценка может быть использована для предвари­ тельного анализа влияния дефектов на усталостную прочность.

Используя значения коэффициента снижения усталостной проч­ ности, полученные расчетным путем, можно построить зависимо­ сти, определяющие условия возникновения усталостного разруше­ ния в координатах ф—ов для сосудов высокого давления при нали­ чии дефектов различных типоразмеров.

На рис. 4 приведена номограмма условий разрушения сварных узлов с дефектами в виде трещин, пор и шлаковых включений раз­ личных размеров, расположенными в зонах местной конструктив­ ной концентрации. Здесь же представлена кривая, определяющая условия разрушения с учетом коэффициента запаса по долговеч­ ности. Как следует из приведенных данных, введение такого запа­

вого включения размером 4 мм приводит ■к большему снижению

8

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