книги / Усталость крупных деталей машин

Полученные на крупных моделях сварных роторов результаты хорошо согласуются с данными О. Пухнера (ЧССР) и Т. Р. Гернея (Англия) [31 ], полученными при изгибе на пластинах с приварен­ ной впритык косынкой и пластинах с приваренными с обеих сто­ рон продольными ребрами (рис. 63). Значения предельных ампли­ туд для обоих типов сварных соединений при средних напряже­ ниях сжатия а т от 100 до 150 МПа возрастают в 2,5—3 раза и до­ стигают в а = 125-т-150 МПа (по сравнению с симметричным цик­ лом, где = 50-^60 МПа).

Сочетание деконцентраторов-проточек в прикорневой зоне шва с наведением средних сжимающих напряжений резьбовой стяжкой является весьма эффективным средством для повышения несущей способности сварных соединений роторов турбин и гене­ раторов.

В крупных моделях диаметром Did = 380/257 мм ротора турбо­ генератора деконцентраторы выполняли в зоне наплавки при­

т. е. сопротивление усталости в результате затяжки моделей резьбовой стяжкой повысилось на 57—88%.

Экспериментальные исследования сопротивления усталости крупных моделей роторов позволили обоснованно выбрать опти­ мальную технологию исполнения и конструкцию прикорневой зоны одностороннего кольцевого сварного соединения, обеспечи­ вающие достаточную прочность и долговечность сварных роторов турбин и генераторов при наиболее опасных осевых переменных напряжениях [4, 5].

Конструкция одностороннего сварного соединения с декон­ центраторами (разгружающими кольцевыми проточками R = = 8 мм) в прикорневой зоне шва и технология аргонодуговой сварки корневой части шва с предварительной наплавкой кромок были использованы при изготовлении сварного ротора тур­ бины К-1200/240 (мощностью 1200 МВт) для Костромской ГРЭС.

Г л а в а VIII

УСТАЛОСТЬ КРУПНЫХ СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ

1. УСТАЛОСТЬ СВАРНЫХ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БОЛЬШИХ СЕЧЕНИЙ

При сварке металла значительной толщины находит широкое применение прогрессивный электрошлаковый способ сварки, раз­ работанный в Институте электросварки им. Е. О. Патона. С по­ мощью электрошлакового способа сварки были изготовлены детали

иконструкции ответственного назначения: сварно-литые архи­ травы массой более 16-104 кг пресса усилием 300 МН; элементы рамных конструкций и цилиндры мощных прессов усилием 650

и750 МН; баба бесшаботного молота, состоящая из двух кованых заготовок общей массой 105 кг с сечением стыка 2020 X 3120 мм; барабаны котлов высокого давления; тяжелые крупные валы гидравлических турбин мощностью 225—500 МВт и многие дру­ гие изделия.

Успешному внедрению электрошлаковой сварки при произ­ водстве указанных объектов предшествовал широкий комплекс исследований, в котором важнейшее место было отведено исследо­ ванию усталости на образцах больших сечений (диаметром 150— 200 мм и сторонами от 50 X 75 до 200 X 200 мм) [17 ].

В табл. 61 и 62 приведены результаты усталостных испытаний ЦНИИТМАШа на машинах У-200, УП-50 и УП-200 (см. гл. I) при изгибе по симметричному циклу крупных образцов сварных соединений, выполненных электрошлаковой сваркой на сталях 22К, 35Л, 20ГСЛ, 16ГНМ, 15ГН4М, 34ХМ, 40ХН.

Пределы выносливости сварных соединений сталей 22К и 35Л со снятым усилением шва на образцах крупных сечений не ниже пределов выносливости основного металла.

Металл шва, выполненный электрошлаковой сваркой, более чист (по вредным примесям и неметаллическим включениям) по сравнению с горячекатаной сталью 22К и литой сталью 35Л.

При испытании образцов толстолистового проката стали 22К отмечали заметные колебания в механических свойствах основ­ ного металла, связанные с наличием допустимых по техническим условиям технологических дефектов (расслоения, неметалли­ ческие включения, стройность структуры). Наличие указанных дефектов в большинстве случаев предопределило место разрушений сварных образцов по основному металлу на расстоянии 25— 100 мм от шва. Особенностью большинства усталостных разрушений стали

Пределы выносливости при изгибе образцов сечением 5 0 X 7 5 мм

основного металла и соединений малоуглеродистых и легированных сталей, выполненных электрошлаковой сваркой

* Предел выносливости основного металла определяли на образцах таких же размеров и базе испытаний, что и для соответствующих сварных соединений.

**Сварное соединение из разнородных сталей.

***База испытания 10е циклов; в остальных случаях 107 циклов.

22К является наличие отчетливо выраженной шиферности. В из­ ломах некоторых образцов были выявлены стройность и расслое­ ние, неметаллические включения.

Усталостные разрушения большинства образцов диаметром 200 мм из стали 35Л происходили по основному металлу на значи­ тельном расстоянии от зоны сплавления (от 67 до 219 мм) вне зоны термического влияния. Металл шва во всех случаях оста­ вался неповрежденным, что свидетельствует о высоком качестве соединений, сваренных электрошлаковым способом. Таким обра­ зом, предел выносливости сварных соединений литой стали 35Л оказался выше предела выносливости основного металла.

Рис. 64. Зависимость предела выносливости гладких образцов от диаметра:

/ — толстолистовая прокатная сталь 22К; 2 — среднеуглеродистая литая сталь 35Л; 3 — зона рассеяния результатов испытаний, по литературным данным, для сталей (верх­ няя граница — преимущественно для углеродистых сталей, нижняя — для легирован­ ных); 4 — предположительная кривая Лера; 5 — зона рассеяния результатов испытаний для чугунов (верхняя граница — высокопрочный, нижняя граница — серый чугун)

Лишь в двух случаях отмечены разрушения сварных образцов неподалеку от шва (3— 14 мм) в участке перегрева зоны терми­ ческого влияния из-за наличия дефектов в стальном литье.

На усталостных изломах двух сварных образцов были вы­ явлены дефекты литой стали — неметаллические включения и ликвационные выделения.

Анализ экспериментальных данных показывает, что влияние размеров на сопротивление усталости соединений, выполненных электрошлаковой сваркой на сталях 22К и 35Л (учитывая отсут­ ствие концентрации напряжений у обработанных стыков), не больше, чем для основного металла.

На рис. 64 результаты указанных экспериментальных исследсваний сопротивления усталости сталей 22К и 35Л в образцах различных размеров (кривые 1 и 2) сопоставлены с данными раз­ личных исследований на разных сталях и чугунах. Кривая 1 располагается в пределах зоны разброса экспериментальных дан­ ных для углеродистых и легированных сталей.

Сопротивление усталости и масштабный фактор сильно зависят от природы материала. Для неоднородных металлов влияние размеров образцов на предел выносливости выражается в значи­ тельно большей степени, чем для металлов более однородных.

Для литой стали 35Л влияние размеров образцов на предел выносливости сварных соединений оказывается более резко вы­

Исследованная литая сталь 35Л (кривая 2) показала наиболее резкое снижение предела выносливости с увеличением размера образца в сравнении с опытными данными, накопленными к насто­ ящему времени на различных кованых и прокатанных углероди­ стых и легированных сталях.

Сопоставим сопротивление усталости литой стали 35Л и чугуна для образцов различных размеров. Чугун по своей природе, так же как и литая сталь, является неоднородным металлом. При увеличении диаметра образца с 5 до 50 мм предел выносливости высокопрочного чугуна ВЧ 40— 10 [11] понизился на 26%. Со­ противление усталости чугуна даже несколько выше сопротивле­ ния усталости литой стали, и этот чугун вполне конкурентоспо­ собен со сталями (см. верхнюю границу зоны 5 на рис. 64).

Для серых чугунов эффект масштаба проявился более резко. Предел выносливости снизился на 62% [34] при увеличении диа­ метра образца от 5 до 50 мм (см. нижнюю границу зоны 5). Опытная кривая зависимости снижения предела выносливости литой стали 35Л для различных размеров образцов располагается в пределах зоны разброса экспериментальных данных для чугунов.

Следовательно, литые стали, имеющие неоднородную струк­ туру и содержащие различные литейные дефекты, в способности сопротивляться действию переменных нагружений больше под­ ходят к чугунам, чем к сталям, прошедшим обработку давлением.

Электрошлаковая сварка позволяет создавать равнопрочные по усталости с основным металлом сварные соединения различных сталей си„ = 460-5-820 МПа (при удалении усиления шва и при­ менении соответствующей после сварки термообработки; см. табл. 62).

До сих пор сопротивление усталости образцов крупных сече­ ний стыковых сварных соединений рассматривали при отсутствии концентрации напряжений (со снятым механической обработкой усилением шва).

Представляло интерес оценить роль концентратора напряже­ ний при наличии и отсутствии остаточных сварочных напряжений. Кроме того, при внедрении в производство сварных толстолисто­ вых конструкций, выполненных электрошлаковым способом сварки, возникла необходимость сопоставить их сопротивление усталости с сопротивлением усталости соединений, выполненных ручной дуговой сваркой и сваркой в углекислом газе, и прочностью основного металла.

В табл. 63 приведены результаты сравнительных испытаний на усталость крупных образцов (сечением 50 х 75 и 65 X 75 мм) сварных стыковых соединений стали 22К, выполненных различ­ ными способами сварки.

Экспериментально установлено [17, 23], что усиление свар­ ного шва является источником концентрации и сильно снижает

сопротивление усталости сварных соединений в исходном после

сварки состоянии без применения дополнительных технологи-

нием силового потока, а следовательно, и более высокой кон­ центрацией напряжений. По характеристикам сопротивления уста­ лости тавровые соединения существенно уступают стыковым. Сопротивление усталости сварных тавровых соединений суще­ ственно зависит от глубины проплавления.

При отсутствии подготовки кромок и проплавления по тол­ щине соединяемого втавр элемента эффективные коэффициенты концентрации напряжений Ко. изменяются в пределах от 2 до 4,5, а теоретический коэффициент концентрации напряжений а а достигает 3,4—5. Непровар в корневой части шва приводит к за­ метному снижению сопротивления усталости сварных тавровых соединений.

Соединения с разделкой кромок элементов и при наличии глу­ бокого проплавления характеризуются меньшими коэффициен­ тами /Сет = 1,7 и а 0 = 1,2. При наличии полного проплавления (в элементах с разделкой кромок) сопротивление усталости свар­ ных соединений втавр повышается на 17—77%.

Сопротивление усталости сварных тавровых соединений, по­ мимо технологических факторов, определяется рациональным вы­ бором формы и размера швов в зависимости от характера и напра­ вления действующих усилий.

Соблюдение полного проплавления усложняет сварку, в осо­ бенности для больших толщин металла, и удорожает изготовление конструкций. Кроме того, требование обязательной подготовки кромок примыкаемых элементов не всегда является обоснованным. При выполнении сварки втавр с полным проплавлением могут иметь место случайные непровары, влияние которых трудно учи­ тывать при оценке прочности и которые могут существенно по­ низить работоспособность соединения. Вместе с тем заранее пред­ усмотренный конструктивный непровар облегчает качественное выполнение шва и не отражается на работоспособности соедине­ ния, поскольку его учитывают при расчете. В этой связи предста­ вляют интерес работы по исследованию возможности допущения непровара в тавровых соединениях, работающих при цикличе­ ских нагружениях.

В сварных тавровых соединениях без скоса кромок (с непроваренной щелью) для переноса разрушения к границе шва тре­ буются слишком большие катеты, что неэкономично и может при­ вести к значительным деформациям. В то же время получение полного провара при больших толщинах листов усложняет сварку и удорожает изготовление сварных конструкций.

Наиболее рациональным в сварных тавровых соединениях при больших толщинах следует считать применение частичного скоса кромок с сохранением непроваренной щели, отрицательное вли­ яние которой может быть скомпенсировано повышенной проч­ ностью сварных швов.

В ЦНИИТМАШе была исследована [24] возможность допуще­ ния непровара в конструкциях с тавровыми сварными соедине­

но