Исследование концентрации напряжений при сварке трубопроводов

Сварка, как способ соединения материалов получила широкое развитие в совершенных паросиловых устройствах, теплообменной аппаратуры ЖКХ, и в трубопроводах атомных установок. Объектом нашего исследования явилось V-образные сварные стыки толстостенных труб диаметром 273x45, изготовленных из легированной стали 15Х1М1Ф. Сварка производилась в производственных условиях Троицкой ГРЭС электродом ЦЛ-2М.

Для исследования деформаций в сварных соединениях методом фотоупругих покрытий были изготовлены поляризационнооптические установки одностороннего монтажа V и Т-образного типа, где использовались монохроматического источника света — лампы СВДШ-500, ДнаС-18. Установка Т-образного типа изготовлена на базе поляризационного микроскопа МП-7 и голографии. Установка

ИПУ представляет собой сочетание двух приборов - интерферометра Майкельсона и Т-образного полярископа. Используя установку в качестве полярископа, можно получать картины изохром и изоклин. При работе на установке по схеме интерферометра были получены картины изопахик — линий одинаковой суммы главных напряжений (oi+o2=const). Совмещение картин изохром и изопахик позволяет значительно упростить расшифровку экспериментальных данных (рис.1). Для этого необходимо в каждой точке модели решить систему двух алгебраических уравнений:

Gi+ о₂ = m_v Ор"':                        (1)

О|-О₂ = т^,                 (2)

где индексом “р” помечен порядок и цена полосы изопахики.

Рисунок 1. Картины интерференции сварных соединений

Хромомолибденованадиевая сталь 15X1 MlФ широко применяются в энергоустановках в качестве материала для паропроводов, испытывающих высокое внутреннее давление (до 150 атм.) при значительных температурах перегретого пара (до 750 °C). Паропровод воспринимает пульсирующие продольные и из-гибные нагрузки. Анализ целого ряда разрушений паропроводов показал, что в большинстве случаев трещина зарождается в околошовной зоне сварного шва - зоне термического влияния (ЗТВ) [1,2]. В реальных сварных соединениях всегда имеются концентраторы напряжений, если даже стыки трубопроводов заварены качественно без непроваров и шлаковых включений [3].

С одной стороны, концентрация напряжений возникает в точках резкого изменения геометрической формы шва - неровности наплавленного валика, непровары корня шва, влияние подкладки шва и т.д. На рис.2 приводятся величины “геометрических’' величин концентрации упругих напряжений при чистом изгибе. В таблице 1 приведены коэффициенты концентрации напряжений, где обозначены основные участки шва: зона А - наплавленный металл, С - основной металл трубы, В - зона термического влияния. Её следует учитывать лишь при расчете сварных соединений на усталость и выносливость [4]. Как видно из таблицы 1, упругая концентрация напряжений, связанная с геометрией здесь незначительна (^=1,1 -1,7).

Более значительная концентрация деформаций и напряжений вызывается механической неоднородностью свойств шва в ЗТВ [5].

При этом следует заметить, что максимальные значения напряжений при чистом упругопластическом изгибе наблюдается на % высоты балки. Вследствие чего, трещина разрушения, вероятно, зарождается изнутри в точках всестороннего растяжения-сжатия.

Рисунок 2. Концентрации напряжений стыкового сварного шва паропровода

Таблица 1 - Коэффициенты концентрации напряжений

N	Основные участки шва
	А	В	С
1	1.7	1.2	1.3
2	1.5	1.3	1.3
3	1.3	1.2	1.5
4	1.4	1.2	1.4
5	1.2	1.1	1.3
6	1.2	1.1	1.2

Рассмотрим напряженно-деформированное состояние продольного шва вдоль образующей трубы диаметром 1020 мм из термора- зупрочняемой стали 19Г или 19 ГС [6,7]. Автоматическая сварка труб диаметром 1020 мм произведена по технологии завода ЧТПЗ (г. Челябинск). Валики наплавлялись под флюсом АН-22 сварочной проволокой СВ-18ХМА. В результате воздействия термического цикла основной металл трубы 19Г в околошовной зоне разупрочняется, что подтверждается измерением твердости по Бринеллю (HRB). Так, основной металл шва имеет твердость HRB=110, а в “мягкой прочной” ЗТВ - HRB=82.

При испытании на изгиб микротимпле-та плоского образца, вырезанного из рабочей трубы газопровода (рис.З), получены нелинейные эпюры в зоне ЗТВ, что ещё раз доказывает то, что трещины разрушения сварных соединений идут “изнутри” поэтому требуется тщательный отжиг для устранения остаточных напряжений в области сварки. В зоне ЗТВ произошла значительная локализация деформации (рис. 3 а).

чувствительных материалов с неоднородными упругими и пластичными прослойками.

• 3.    Спроектированы и изготовлены специальные поляризационно-оптические установки Т и V-образного типов. Поляризационно-интерферометрическаяустановка ИПУ [8] позволяет надежно получать картины изохром и изопахик при работе как “на просвет”, так и “на отражение” методом фотоупругих покрытий.

• 4.    Исследовано распределение деформаций и напряжений около V-образных сварных стыков толстостенных труб паропроводов из жаропрочной стали 15Х1М1Ф.

• 5.    Методом муаровых полос и методом фотоупругих покрытий определены коэффициенты концентрации деформаций и напряжений в угловых сварных швах в зависимости от геометрической формы шва и степени механической неоднородности.

а)

Рисунок 3. Картина изохром (а) и эпюры напряжений (б) трёх участков сварного шва трубы

Выводы:

• 1.    Разработана методика экспериментально

• 2.    Разработана технология изготовления плоских и объемных моделей из оптически

• 2 .Бакши О.А., Маковецкий В.А., Зайцев Н.Л. Несущая способность лобовых швов нахлесточных соединений/ М,- журнал Автоматическая сварка №61972. "

• 3 .Маковецкий В. А,, Ситников Л.Л. Исследование напряженного состояния мягкой прослойки сварного соединения методм фотоупругих покрытий/ М,-журнал Сварочное производство, №7-1970.

• 4 .Лепеш Г.В. Динамика и прочность бытовых машин / СПб.: изд-во СПбГУСЭ - 2006.

• 5 .Маковецкий В. А. Исследование напряженно-деформированного состояния механически неоднородных соединений поляризационно-оптическим методом/ Ч.-Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., спец.01.02.03.-1974.

• 6 .Гуляев А.И. Металловедение/ М.: Оборогиз-1948.

• 7 .Лифшиц Л.С. Структурная неоднородность в участках сплавления и расчет состава металла сварочных соединений/ М.: журнал Сварочное производство, №9-1962.

• 8 .Лисицын А.И., Маковецкий В.А., Сиромашенко А.М. Исследование напряженного состояния в трубах с использованием голографической интерферометрии/ Ч.: сборник Геометрические методы исследования деформаций и напряжений, изд-во ЧПИ-1975. '

го исследования напряженно-деформированного состояния механически неоднородных соединений с помощью поляризационно-оптического метода.