Введение к работе
Актуальность темы. Рост промышленного производства в Сибири, Дальнем Востоке. Республике Саха (Якутия) влечет за-собой существенное увеличение количества машин и металлоконс-струкций, эксплуатируемых при низких температурах. Однако, как показывает практика, с их увеличением наблюдается и резкое увеличение, отказов вследствие разрушения сварных соединений, элементов машин и узлов металлоконструкций магистральных газопроводов и трубопроводов надземной прокладки под влиянием пониженных температур.
Ежегодно наблюдаются случаи разрушения промышленных и жилых зданий, анкерных гаражей, цехов, сварных элементов карьерных и шагающих экскаваторов, участки газопроводов, а также трубопроводов надземной прокладки и т.д.
В частности, убытки, вызванные неприспособленностью экс- . каваторов к работе при низких климатических температурах, достигают около 100 млн.рублей в год по ценам 1983 года. Величина удельного ущерба ъ зимнее время в 7-8 раз выше' по сравнению с летним периодом.
В большинстве случаях разрушения происходят по шву или зоне термического влияния (ЗТВ), где имеются технологические и конструктивные концентраторы напряжений из-за низкой хладос-тойкости материала или возникновения усталостных трещин в заводских сварных соединениях, имеющих непровары, подрезы, смещения кромок, сплошные газовые раковины с удлиненной формой, скопления пор и т.д.
1993 год явился для республики Саха (Якутия) крайне тяжелым годом. В результате резкого понижения температуры среды в конце ноября и декабре до -55С и ниже из-за аварий систем электроснабжения в семи улусах (районах) республики произошли крупные разрушения объектов теплоснабжения. Общий ущерб составляет более 30-35 миллиардов рублей по ценам декабря 1993 года.
Успехи сварочного производства в нашей стране огромны. В этом несомненны заслуги многих советских ученых сварщиков. Но существуют достаточно серьезные нерешенные вопросы, связанные с обеспечением эксплуатационной прочности сварных соединений, работающих з условиях низких климатических температур.
Задача повышения эксплуатационной прочности сварных сое-
динений элементов конструкций, испытывающих статическое, динамическое и циклическое нагружения в диапазоне температур +20...-60 С охватывает вопросы, связанные с технологией сварки, конструктивным оформлением сварных соединений, формированием напряженно-деформированного состояния (НДС) в зависимости от типов и видов соединений, с установлением влияния термодеформационных процессов сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей массового назначения на изменение характеристик статической и'динамической вязкости разрушения (ВР), Кс. К1с, бс. Кія, Кд, бД зон сварных соединений (ЗСС), а также поведения сварных соединений элементов техники и металлоконструкций при эксплуатационном нагружении в диапазоне температур +20...-60 С.
Решение основных положений данной актуальной проблемы рассмотрено в данной работе.
Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР 1.10.2.12, 1.10.2.4, 1.10.2.8, 1.11.1.9, 1.11.5.2, (NN Гос. per. 7707624, 74044956, 81003488, 01.86.0075016. 01900035499) и В соответствии с постановлениями ГКНГ СССР от 10.05.1990 г. N 429 И ОТ 6.06.1991 Г. N 868, проводимых В ИФТПС ЯНЦ СО РАН на период 1970 - 1994 годы в соответствии с планами НИР СО РАН.
Цель работы/ Разработать методы оценки и повышения хла-достойкости и эксплуатационной прочности сварных соединений металлоконструкций и техники Севера в условиях низких климатических температур, создаваемых из малоуглеродистых и низколегированных сталей массового назначения и для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать средства и методы оценки тепловых процессов, структурных превращений при сварке, трещиностойкости сварных соединений при статическом и динамическом нагружениях, а также несущей способности сварных соединений металлоконструкций и техники Севера;
установить особенности деформирования при работе сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера в диапазоне температур +20...-50С;
исследовать особенности тепловых процессов, структурных превращений при сварке низколегированных сталей;
выявить особенности формирования сварочных напряжений при сварке с учетом изменения . реологических свойств сталей массового назначения:
установить факторы, способствующие возникновению мик-
ротрещин в процессе формирования сварочных напряжений при сварке высокопрочной стали и изменению характеристик статической и динамической вязкости разрушения (Кс, К1с> 5С , KCV3, KCVp, К1д, б0>. vxp) вследствие термодеформационных процессов сварки низколегированных сталей;
определить характер деформирования сварных соединений, имеющих остаточные напряжения, в области, выше температур вяз-кохрупкого перехода участков сварных соединений;
на основе установленной обобщенной закономерности формирования свойств, состояния и работы сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера разработать рекомендации к параметрам сварных швов и технологии сварки в условиях низких климатических температур.
Методы исследований. В процессе проведения исследований использованы методы термографии, тензометрирования, высокотемпературных механических испытаний и быстродействующей дилатометрии, осциллографирования, оптическая и электронная металлография, Фрактографический, химический и спектральный анализы. Тепловые процессы сварки, поведение сварных соединений элементов металлоконструкций и техники в процессе их работы изучены с помощью информационно-измерительных систем и средств измерения и регистрации, созданных при непосредственном участии автора. Для решения температурных задач при сварке и задач по формированию сварочных напряжений и деформаций использованы основные положения расчетных алгоритмов, разработанных ведущими специалистами страны (Н.Н.Рыкалиным, В.И.Махненко, В.А.Винокуровым, А. Г. Григорьянцем, К. М. Гатовским, Л. А. Копельманом, В. А. Кархиным). Стандартные испытания на прочность и пластичность, трещиностойкость и ударную вязкость в диапазоне температур +20. ..-80С выполнены в соответствии с ГОСТами 1497-61, 6996-66 и 11150-65; 25.506-85; 9454-78 и 9454-60.
Научная новизна. Доработана фактическая основа обеспечения хладостойкс-сти и эксплуатационной прочности сварных соединений элементов металлоконструкций и техники Севера, создаваемых из малоуглеродистых и низколегированных сталей массового назначения, включающая следующие новые результаты:
е., - установлены количественные различия в распределении тепла при сварке в условиях положительных и отрицательных температур в зависимости от погонной энергии сварки, толщины свариваемых изделий и температуры окружающей среды. Эти различия выражены в виде равнозначимости характера распределения тепла в области сварочной ванны и сужении зоны термического влияния
- 4 -(ЗТВ) с ростом интенсивности охлаждения вследствие увеличения теплоотдачи в окружающую среду и изменения теплофизических свойств материала. Разработан алгоритм и решена температурная задача типа Стефана для определения распространения тепла при однопроходной и многопроходной сварке пластин встык с учетом количества наплавленного металла в разделку;
выявлены количественные соотношения формирования структуры в зонах сварных соединений при сварке сталей 14Г2САФ, 10ХСНД, 09Г2С, 14Х2ГМР, 20ХГ, 20НГМФ. 10Х2ГМ в зависимости от изменения параметров технологии сварки в условиях низких климатических температур и построены термокинетические диаграммы;
определены линейные и объемные эффекты свободного деформирования и механические свойства сталей 10ХСНД, 14Г2САФ, 10Х2ГМ, 20НГМФ, 20ХГ, 14Х2ГЫР при реальных.термических циклах сварки в диапазоне температур -50"... 1350 С и -50...800С соответственно в процессе интенсивного нагрева и различных скоростях охлаждения. Характер изменения механических свойств исследованных сталей в процессе охлаждения описан кусочно-линейной и квадратичной интерполяциями;
установлены значения и характеры формирования сварочных напряжений в процессе интенсивного охлаждения с учетом формирования реологических свойств низколегированных сталей при сварке; выявлен температурный диапазон и уровень напряжений, способствующие возникновению закалочных микротрещин, а также определены характеристики статической и динамической вязкости разрушения при зарождении и распространении хрупких трещин в сварных соединениях исследованных сталей;
показана неравномерность деформирования участков сварных соединений элементов конструкций при их работе в условиях низких климатических температур, которая при последующем росте нагрузки приводит к локализации деформирования и развитию разрушения от участков сварных соединений, имеющих дефекты размерами меньше 5-6 мм. При этом влияние остаточных сварочных напряжений при температурах выше температуры вязко-хрупкого перехода участков сварных соеданений на процесс их деформирования не обнаружено. Исходя из этого обоснована эффективность двух-параметрового подхода (ер и Ст), связывающего чувствительность сварных соединений к технологическим концентраторам напряжений с характером распределения собственных напряжений с учетом пластичности металла и предельного разрушающего напряжения.
На зашиту выносятся:.
- тепловые процессы сварки элементов металлоконструкций в
- 5 -условиях положительных и отрицательных (до -50С) температур окружающей среды;
формирование структуры в зонах сварных соединений при сварке низколегированных сталей массового назначения и их термокинетические диаграммы;
линейные (объемные) эффекты, характеристики прочности и пластичности, связанные с реакцией исследованных сталей на термодеформационные процессы сварки;
кинетика формирования сварочных напряжений и остаточные напряжения с учетом структурных превращений и изменения механических свойств сталей при сварке, а также связь возникновения закалочных микротрещин со сварочным процессом;
основные положения уточнений методик статического и динамического испытания материалов и их сварных соединений, а также особенности экспериментальных установок и информационно-измерительных систем;
деформирование участков сварных соединений элементов металлоконструкций в процессе их работы, а также поведение сварных соединений с остаточными напряжениями и без них;
характеристики вязкости разрушения сварных соединений низколегированных сталей в диапазоне температур +20...-60С, а также чувствительность зон сварных соединений к концентраторам напряжений с учетом технологии сварки.
Практическая ценность. Уточнены методики регистрации разрушающей нагрузки для определения характеристик трещиностой-кости сварных соединений при статическом и динамическом нагру-жениях, а также деформирования для оценки несущей способности сварных элементов металлоконструкций.
Созданы лабораторные образцы информационно-измерительных и регистрирующих систем и комплекс программ обработки информации при нагружении сварных соединений объектов и динамическом испытании образцов.
На основе результатов экспериментальных исследований по структурным превращениям, изменению механических свойств при термодеформационных циклах сварки и вязкости разрушения сварных соединений низколегированных сталей создана база данных, позволяющая произвести системный анализ изменения параметров свободного деформирования при структурных превращениях в процессе охлаждения, формирующихся значений прочностных свойств и -пластичности в широком диапазоне скоростей охлаждения в зависимости от изменения эквивалента углерода низколегированных сталей массового назначения.
По программе совместных работ по теме XII в рамках Координационного центра стран-членов СЭВ составлены 7 методических документов по методам испытания и определения характеристик вязкости разрушения сварных соединений в диапазоне температур 20...-80С, а также один документ*МИСа.
Для ведомственных и проектных организаций разработаны методические рекомендации по технологии сварки сталей массового назначения, а также по повышению эксплуатационной прочности сварных металлоконструкций в условиях низких климатических температур.
Основные положения по обеспечению качества сварных соединений используются при обучении и аттестации сварщиков в профтехучилищах и производственных объединениях Республики Саха (Якутия).
Апробация работы. Материалы работы доложены на 4-х международных симпозиумах и конференциях (1988-1991), 8 Всесоюзных конференциях (1978-1990), на 2-х международных семинарах (1989-1991). а также на 3-х научно-технических семинарах (Киев, Санкт-Петербург, Москва - 1986-1991).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 65 работ,в том числе одна монография, получено два авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и общих выводов, изложенных на 215 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 125 рисунков, список литературы, включающий 503 наименования и. приложение.
В первой главе проанализированы характерные случаи хрупких разрушений металлоконструкций и техники Севера, основные факторы, вызвавшие разрушения сварных металлоконструкций. Рассмотрены современные подходы к анализу тепловых процессов, структурных превращений, формирования сварочных деформаций и напряжений при сварке, методы оценки хладостойкости и трещи-ностойкости сварных соединений и влияние остаточных сварочных напряжений на хрупкое разрушение сварных соединений. Сформулированы цели и задачи исследований.
Во второй главе представлены особенности работы сварных соединений элементов техники и сосудов давления в условиях низких климатических температур на основе проведенных экспериментальных исследований закономерностей деформирования участков сварных соединений в процессе их нагружения.
В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований тепловых процессов при сварке в
- 7 -условиях естественно низких температур, расчетные данные распределения температуры в области расплавленного и основного металла.
В четвертой главе приведены результаты исследований по структурным превращениям при сварке низколегированных сталей массового назначения в широком диапазоне скоростей охлаждения, а также особенности структурных превращений в металле шва, термокинетические диаграммы исследованных сталей-.
В пятой главе внесены новые данные по особенностям формирования сварочных напряжений с учетом изменения реологических свойств низколегированных сталей при сварке, показана связь возникновения микротрещин со структурой и формированием сварочных напряжений.
В шестой главе приведены результаты методических разработок, направленных на определение характеристик вязкости разрушения (трешиностойкести) сварных соединений при статическом и динамическом нагружениях и представлен широкий спектр , изменения характеристик трещиностойкости сварных соединений, полученных по критериям механики разрушения.
. В седьмой главе представлены новые данные о распределении остаточных сварочных напряжений и их роли на эксплуатационную прочность сварных соединений в области критической температуры хрупкости материала, обобщены результаты исследований, изложенных в предыдущих пяти главах с позиции обеспечения качества сварных соединений, приведены примеры решения практических задач.