книги / Сварка при низких температурах

резов в металле это положение нарушается и контур выреза оста­ ется под очень большим напряжением; таким образом, даже в слабо нагруженных образцах возникают сильно ' нагруженные участки, плохо выдерживающие удары. Установлено, что трещины и разрывы почти всегда обнаруживаются около царапин, дефектов или надрезов. Небольшие включения в металле или шлаки в ме­ талле сварного шва также играют роль надрезов. Чтобы вызвать разрушение при низкой температуре, не требуется большой надрез. Для этого достаточно неоднородности металла или следов, остав­ шихся после удара молотком, вмятин от чеканочного штампа, уг­ лублений, нанесенных керном, и т. д. На деталях, работающих при низких температурах, не допускаются какие-либо надрезы. Боль­ шинство исследователей считают главной причиной аварий цель­ носварных кораблей концентрацию напряжений. Первые образцы этих кораблей имели грузовые и сходные люки квадратного сече­ ния. Замена квадратных люков круглыми в значительной степени предотвратила дальнейшие повреждения кораблей.

Существенно влияет на хрупкость толщина деталей. Толстые образцы оказывают меньшее сопротивление удару, чем тонкие. Испытания на удар показали, что крупные детали становятся хруп­ кими при более высоких температурах. Это объясняется несколь­ кими причинами. В больших образцах около надреза возникают значительные поперечные напряжения, увеличивающие местную концентрацию напряжений. Чем толще деталь, тем выше напря­ жения при ее изгибе. Кроме того, в толстых образцах из проката зерно может быть крупнее, а пористость больше. Толстые образцы оказываются в худших условиях и в процессе термической обра­ ботки вследствие неравномерного охлаждения. Следовательно, толстые стальные детали почти всегда более чувствительны к уда­ ру, чем детали такого же веса с тонким сечением. Поэтому конст­

рукторы должны отдавать предпочтение более тонким и упругим конструкциям.

СЛУЧАИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ НА ПРАКТИКЕ И ИХ ПРИЧИНЫ

Одной из главнейших причин, способствующих разрушению сварных конструкций, является понижение температуры окружаю­ щего воздуха. Это подтверждают многочисленные факты разруше­ ний, при которых низкая температура позволяла выявить как тех­ нологические, так и конструктивные недостатки изделий.

Например, разрушение цельносварного моста через канал Альберта в Бельгии произошло зимой 1938 г. рано утром из-за трещин, большая часть которых возникла в стыковых швах соеди­ нений между стойками и нижним поясом моста. Мост был построен в 1936 г. и имел пролет длиной 80 м и ширину 10 м. Низкая темпе­ ратура способствовала хрупкому разрушению моста. Очевидцы крушения сначала услышали звук, напоминающий пушечный вы-

21

стрел, а потом увидели излом моста и его падение в канал. При обследовании были установлены две причины разрушения: низкое качество металла (мост был изготовлен из томасовской стали, об­ ладающей низкой ударной вязкостью) и неудовлетворительное ка­ чество сварки. Последнее характеризовалось: несоблюдением тре­ буемой последовательности наложения швов, которые, кроме того, имели неровную поверхность (т. е. концентраторы напряжений), неудачное размещение стыков, неточности в сборке элементов. Эти обстоятельства привели (по заключению комиссии, обследовав­ шей аварию) к значительным усадочным напряжениям в металле.

Во время суровой зимы 1940 г. подобные повреждения получи­ ли и другие сварные мосты в Бельгии, однако в этих случаях по­ вреждения не привели к катастрофе. При температуре —14° С в январе 1940 г. частично разрушились два моста через канал Аль­ берта в г. Герентале, построенный в 1937 г. и в г. Каллиле, постро­ енный в 1935 г. В период с 1947 по 1950 г. в Бельгии имели место 14 случаев хрупкого разрушения элементов мостов, из которых в шести случаях частичные разрушения наблюдались при низких температурах. В январе 1938 г. при температуре —10° С произош­ ло частичное разрушение сварного моста через автостраду около Берлина, причем в главных элементах моста появились попереч­ ные трещины длиной около 3 м. Обследование показало, что около сварных швов имелись значительные остаточные напряжения.

В январе 1951 г. при температуре —35° С разрушился сварной мост в Квебеке (Канада) после трехлетней эксплуатации. Любо­ пытно, что за 2 недели до катастрофы мост весьма тщательно в течение 10 дней обследовался специальной комиссией, которая признала его годным к эксплуатации. Главной причиной аварии было низкое качество стали. Материал отдельных элементов моста отличался высоким содержанием серы (0,04—0,116%) и углерода (0,23—0,40%), а также значительным количеством неметалличе­ ских включений. Ударная вязкость стали была низкой, а предел текучести ее колебался от 19,5 до 41,0 кГ/мм2. Качество сварки бы­ ло признано удовлетворительным.

Другой причиной разрушения моста следует считать его конст­ руктивные недостатки, заключавшиеся в значительной концентра­ ции напряжений на участках перехода от стенок фермы к полкам, где всегда начинались трещины, появлявшиеся и ранее, но свое­ временно устранявшиеся.

Случаи разрушения мостов в 30-х годах [142] происходили, как правило, в наиболее холодное время года, причем в момент разрушения мосты не находились под нагрузкой. Следовательно, понижение температуры имеет в ряде случаев большее значение, чем нагрузка и вызываемые ею напряжения в конструкции. Кроме низкой температуры, переходу металла в хрупкое состояние спо­ собствуют концентрации напряжений, качество стали, а также объ­ емное напряженное состояние с высокими растягивающими на­ пряжениями по всем трем осям, которое, затрудняя пластическую

22

деформацию, тем самым способствуют хрупкому разрушению. Общеизвестны многочисленные аварии различных сварных кораб­ лей (танкеров), построенных в США в течение 1943—1947 гг., ко­ торые происходили, как правило, в зимние месяцы, в результате хрупкого разрушения конструкций.

По опубликованным данным, около 250 кораблей в результате аварии были полностью выведены из строя. Свыше 1000 кораблей с трещинами в корпусе длиной менее 3 м требовали серьезного ре­ монта.

Наблюдались, правда в небольшом количестве, случаи полного разрушения, т. е. суда разламывались на две части (фиг. 2).

сварки, наличие в отдельных элементах различных отверстий пря­ моугольного сечения и острых углов). Были дефекты и в металле в виде неметаллических включений, пустот, а также царапин, подрезов, вмятин, которые возникали в процессе постройки судов из-за недостаточно тщательной обработки элементов конструк­ ций.

Хотя механические свойства металла около зон разрушения

ибыли признаны в общем удовлетворительными, ударная

вязкость была ниже по сравнению с металлом в других участках.

Имели место случаи хрупкого разрушения сварных резервуа­ ров и газопроводов при низких температурах. Например, в США, в феврале 1943 г. произошла авария сферического резервуара, предназначенного для хранения водорода. Резервуар диаметром 13,1 м был изготовлен из металла толщиной 16,5 мм. Давление внутри резервуара при его разрушении достигало 3,5 ат. Одна из сторон резервуара была освещена солнцем. Перед самым момен­ том разрушения произошло резкое понижение температуры воз­ духа до —12° С. В результате аварии резервуар разрушился на

20частей.

Б.Е. Патоном и А. Е. Аснисом проводились опыты по опре­ делению влияния дросселирования газа на хрупкие разрушения сварных соединений газопроводов. При наличии в трубах вну­ треннего давления и концентраторов напряжений, связанных со сваркой, например, пор, мелких трещин, шлаковых включений, имеет место утечка газа и его охлаждение. Объемно напряжен­ ное состояние охлажденного до низких температур сварного сое­ динения может привести его к хрупкому разрушению. Будучи вначале несквозными дефекты в швах (трещины, шлаковые вклю­ чения, поры) с течением времени (иногда после пятилетней экс­ плуатации газопроводов) под действием газа и давления разви­

вались и превращались в сквозные каналы-свищи [132].

Причины аварий таких газопроводов, уложенных ниже глуби­ ны промерзания грунта, вначале не могли быть определены, так

23

как не было установлено влияния дроссель-эффекта. Однако при расследовании одной аварии было обнаружено, что темпера­ тура грунта, окружающего разрушенный стык, достигала —15° С.

сварных швов и т. д.

Б. Е. Патоном и А. Е. Денисом был проведен опыт, при кото­ ром через просверленное в трубе небольшое отверстие, имитирую­

ности сварных соединений из малоуглеродистой стали [187], в ко­ торой были сделаны выводы, легшие в основу многих последую­ щих последований; Е. О. Патон в предисловии к этой книге писал следующее: «при низкой температуре испытания концентрации напряжения, вследствие резкого изменения сечения образца, мо­ гут вызвать хрупкое разрушение», и далее, «несмотря на одина­ ковую концентрацию напряжений и одинаковую низкую темпе­ ратуру, характер разрушения образца может получиться разный в зависимости от марки стали». Резко изменить склонность к раз­ рушению при низкой температуре можно небольшим изменением расположения швов сварного соединения. При низкой темпера­ туре испытания представляется возможным четко выявить влия­ ние даже небольшой концентрации напряжений на переход свар­ ного соединения в хрупкое состояние и на снижение его пластич­ ности, вызванное сваркой. В указанной монографии главным образом рассмотрены вопросы перехода металла сварного соеди­ нения в хрупкое состояние под действием концентрации напря­ жений при .низкой температуре и снижение пластичности металла сварного соединения, вызываемое сваркой, которые, как известно, имеют основное значение для качества сварного соединения. Ис­ следование показало, что для ослабления влияния остаточных напряжений следует проектировать и изготовлять сварные соеди­ нения с наименьшей концентрацией напряжений, которые обеспе­ чивали бы надежную работу конструкций при низких температу­ рах эксплуатации их без перехода в хрупкое состояние, и что следует применять такую технологию сварки, чтобы замедлить скорость остывания металла шва.

В указанной работе было доказано, что остаточные напряже­ ния не влияют на статическую прочность соединения с фланговы­

25

ми швами, испытываемыми на разрыв при температуре —40° С. В то же время в работе В. В. Шеверницкого и Г. В. Жемчужни­

зано, что при резком концентраторе напряжений и низкой темпе­ ратуре остаточные напряжения оказывают весьма большое влияние на статическую прочность образцов, испытанных при низ­ ких температурах (до —60°С).

Влияние остаточных напряжений на статическую прочность при низких температурах изучалось многими исследователями как в Советском Союзе [78], [106], [107], [118], [142], [187], [189], так

и за рубежом [39], [64], [144].

Весьма ошбнрные исследования по установлению влияния искусственного надреза на статическую прочность различных ма­ рок сталей толщиной от 12 до 56 мм выполнил А. Бапсар (США)

сварных соединений на усталость при низких температурах дли­ тельное время в США занимался профессор Бруклинского поли­

технического института О. Генри.)

Придавая большое значение влиянию искусственных надре­ зов на статическую прочность сталей, Багсар утверждает, что температура перехода стали в хрупкое состояние, -которая опре­ деляется по внешнему виду излома, для дайной стали не является

хрупком разрушении гораздо ниже ее прочности при пластиче­ ском разрушении; наименьшая ширина образца, при которой надрез влияет в наибольшей степени, равна 150 мм; на хрупкое разрушение оказывают большое влияние угол раскрытия, глубина и радиус закругления надреза,—причем влияние надреза воз­ растает по мере увеличения его глубины лишь до 4—5 мм. Разру­ шающие напряжения уменьшаются по мере уменьшения радиуса закругления надреза.

Указанные выводы позволили Багсару дать рекомендации, направленные к предупреждению хрупких разрушений: приме­ нять нормализованные и успокоенные стали, регулировать на­ грузки при эксплуатации конструкции; понижать допускаемые напряжения; применять в конструкциях «ограничители трещин»; не

в виде трещины и не очень низкой температуры, чтобы прочность стали резко понизилась не согласуется с данными других иссле­ дователей. Например, Винденбург и Руп, -производя испытания

26

27

швами в последних искусственно создавались резкие концентра­ торы напряжений в виде непроваров. В этих образцах наибольшие остаточные напряжения от сварки стыкового шва были направ­ лены вдоль шва и поперек напряжений от внешней нагрузки при испытании. Как видно на фигуре, некоторые образцы имели мно­

автоматом—48 кГ/мм2), значительно выше предела текучести. Сварка производилась автоматом под флюсом и вручную элек­

шва-, сваренного автоматом под флюсом. Близкие результаты по­

дольными угловыми швами. В таких образцах наибольшие оста­ точные напряжения совпадали с направлением напряжений от внешней напрузки при испытании.

Наложение угловых швов с катетом 8 мм производилось на автомате под флюсом при токе 650 а, напряжении дуги 32 в и

28

скорости сварки 30 м/ч. У этих образцов, имеющих поперечный надрез -в виде узкой щели между двумя элементами составного

ребра, при —60° С наблюдается, как показали испытания, значи­ тельное падение статической прочности.

Остаточные напряжения при наличии в металле острого над­ реза поперек силового потока и направления наибольших оста­ точных напряжений могут понижать статическую прочность ме­ талла до величины ниже предела текучести уже при 0°С. Следо­ вательно, при достаточно низкой температуре остаточные на­ пряжения являются главной причиной резкого уменьшения

оказывать влияния на статическую прочность, такие образцы ис­ пытывались на разрыв при различных температурах.

Как показали испытания, критическая температура, при которой остаточные напряжения не сказываются на статической прочности

—6й°С. Следует, конечно иметь в виду, что эта температура зави­ сит от целого ряда условий, например, от качества металла шва и основного металла, типа образца, характера надреза и т. д.

Вследующей серии испытаний на разрыв применялись образцы

споперечным стыковым швом, имеющим трещины и непровары. Во всех образцах этой серии поперечный стыковой шов пересекался продольными швами. Следовательно, дефекты в стыковом шве рас­

полагались перпендикулярно к направлению наибольших оста­ точных напряжений, возникающих от наложения продольных швов.

В одном из образцов этой серии стыковой шов имел непровар, выходящий наружу (фиг. 9). С противоположной стороны в пред­

напряжения резко снижают статическую прочность образцов (у об­ разцов, не имевших остаточных напряжений, предел прочности

29

составлял около 35 кГ/мм2, у образцов с остаточными напряже­ ниями — 15 кГ/мм2).

В другой группе образцов (фиг. 10) этой серии поперечный стыковой шов имел внутри разные по величине и расположению де­ фекты в виде непроваров, трещин и шлаковых включений. Испыта­ ния образцов с трещинами или непроварами показали резкое снижение прочности, в образцах с дефектами в виде пор и шлако­ вых включений резкого снижения предела прочности не наблю­ далось.

Следовательно, условия, приводящие к хрупкому разрушению со значительным уменьшением статической прочности, могут созда­ ваться при наличии достаточно низкой температуры, резкого кон­ центратора напряжений, который расположен поперек направления

наибольших остаточных напряжений и .поперек рабочих напряже­ ний, а также при наличии высокой чувствительности к надрезу, как металла шва, так и основного металла. Поэтому, чтобы предупре­ дить аварии со сварными конструкциями, эксплуатируемыми при низких температурах, следует добиваться отсутствия дефектов в сварных швах и повышения пластичности сварных соединений. Проектировщикам необходимо избегать пересечений швов в свар­ ных конструкциях, а если они неизбежны, использовать техноло­ гические приемы и меры, которые позволяли бы исключать появле­ ние в этих местах дефектов.

Для выявления причин хрупкого разрушения сварных резервуа­ ров при их эксплуатации в Институте электросварки имени Е. О. Патона в 1955—1956 гг. были проведены статические испы­ тания при низких температурах образцов, имитирующих основные

сварные ■соединения резервуаров, изготовляемых методом свора­ чивания.

Образцы с составными ребрами из стали марки МСт.З толщи­ ной 10 лш, которая используется при сооружении резервуаров, сва­ ривались автоматом под флюсом марки ОСЦ-45 или вручную элек­ тродами УП-2/45. Испытания, проводившиеся при различных тем­ пературах вплоть до —65° С, показали, что остаточные напряжения могут в значительной степени снижать статическую прочность свар­ ного соединения. Отдельные образцы перед испытанием подверга-

30