17.10.2018
Применение вагонки с целью отделки жилого здания называют наиболее подходящим решением как для внутренних, так и для внешних...


17.10.2018
Производство сборно-разборных ангаров осуществляется на базе каркаса из металла, характеризующегося высочайшим уровнем прочности....


16.10.2018
Грейфер – специализированное приспособление, основной функцией которого является перемещение и разгрузка (погрузка) различных...


16.10.2018
Проведение геодезических изысканий востребовано и актуально, и применяется для решения задач, связанных с постройкой, ремонтом,...


15.10.2018
В наше время известняковый щебень считается весьма востребованным материалом для выполнения строительных процедур. Его залегание...


15.10.2018
Весьма красочным, необычным и практичным элементом любого интерьера может оказаться коврик компактных размеров, для него можно...


Сварные конструкции

14.07.2018
Развитие ведущих отраслей современной промышленности тесно связано с решением задач, которые возникают при создании экономичных, надежных и долговечных сварных конструкций, работающих на земле, в космосе и под водой как в нормальных, так и в различных экстремальных условиях эксплуатации. Объемы производства сварных конструкций составляют сотни миллионов тонн в год.

Прогресс в области металлостроения неразрывно связан со школой сварных конструкций, основанной Евгением Оскаровичем Патоном. Разработки этой школы предусматривают комплексное решение исследовательских, проектных и технологических проблем, возникающих при изготовлении конструкций, включая разработку хорошо свариваемых сталей и высокопроизводительных сварочных процессов, оборудования и сварочных материалов, развитие методов расчета сварных соединений и узлов, наиболее адекватных их действительной работе, а также изыскание новых конструктивных форм, отвечающих требованиям высокой технологичности изготовления и заводской готовности конструкций.

Б.Е. Патон в своей научной деятельности уделяет большое внимание проблемам создания сварных конструкций как конечного продукта сварочного производства. Под его руководством в ИЭС выполнен целый комплекс фундаментальных и прикладных исследований в области статической и циклической прочности сварных соединений, с учетом их механической неоднородности и высокой остаточной напряженности, сопротивления хрупким и усталостным разрушениям, работоспособности в условиях низких климатических температур. Результаты проведенных исследований послужили основой для разработки нормативных документов по проектированию и изготовлению сварных узлов металлоконструкций ответственного назначения. Созданы новые типы высокоэффективных сварных конструкций, к которым относятся различные строительные сооружения, пролетные строения автомобильных и железнодорожных мостов, тяжелонагруженные конструкции горно-металлургического комплекса, уникальные изделия преобразуемого объема и многие другие.

В работах, посвященных сварным конструкциям, Б.Е. Патон исходит из принципа, что изготовление металлоконструкций в заводских условиях, по сравнению с монтажной площадкой, предоставляет больше возможностей для использования высокопроизводительных способов сварки, с обеспечением более высокого и стабильного качества сборочносварочных работ. Вот почему он всегда ставит задачу — выполнять на заводе максимальный объем сварочных работ. Ярким примером реализации такого подхода явилось создание в 50-60-х годах прошлого века технологии и оборудования для производства рулонированных резервуаров, благодаря которым в короткие сроки была решена проблема восстановления резервуарного парка, разрушенного войной. Эти работы были отмечены Ленинской премией.

Б.Е. Патон постоянно поддерживает новые направления совершенствования сварных конструкций. Будучи активным сторонником использования труб в сварных конструкциях и полагая, что работы в этом направлении стимулируют совершенствование не только сварных конструкций, но и технологических процессов сварки, он приложил немалые усилия для реализации ряда новых идей при сооружении в 1973 г. башни Киевского телецентра. В этом цельносварном сооружении была использована высокопрочная сталь, впервые осуществлено безфасоночное примыкание труб в узловых соединениях, монтаж осуществлен методом подращивания. За создание башни коллектив разработчиков удостоен Государственной премии Украины в области науки и техники.

Для освоения континентального шельфа потребовалось создание специализированного завода по производству морских стационарных платформ. С целью увеличения объема производства и повышения качества чрезвычайно ответственных и металлоемких конструкций морских сооружений в 1987 году в ИЭС была создана специализированная лаборатория с филиалом на Бакинском заводе стационарных глубоководных оснований. Ее задачей было внедрение современных эффективных технологий сварки в производство платформ и обеспечение качества конструкций на всех этапах их изготовления. Благодаря совместным усилиям специалистов завода и института в кратчайшие сроки была достигнута проектная производительность — 60000 т конструкций в год. Параллельно в ИЭС были развернуты масштабные исследования прочности конструкций из труб. Эти исследования позволили не только разработать методики оценки прочности узловых соединений при статическом и циклическом нагружении, сформировать методологию оптимизации конструкций из труб, но и создать отечественную нормативную базу для производства морских стационарных платформ.

Ускоренное развитие химической, нефтеперерабатывающей промышленности и энергетики потребовало решения ряда сложных научно-технических проблем. В частности, необходимо было увеличить единичную мощность технологических линий и агрегатов, создать крупногабаритные аппараты высокого давления с внутренним диаметром до 4...5 м, при толщине стенки до 400 мм и весе до 1000 т. Такие параметры исключают использование традиционных технологий изготовления сосудов методами ковки, гибки и штамповки из толстого листового проката.

Основы новой прогрессивной конструкции и совершенной технологии изготовления многослойных рулонированных сосудов высокого давления были разработаны в 1960-х годах при активном участии Б.Е. Патона. Принципиальное отличие такого сосуда, от всех других конструкций состоит в том, что отдельные обечайки или вся цилиндрическая часть корпуса сосуда изготавливается не методом наслаивания обечаек одна на другую, а способом непрерывной намотки в холодном состоянии рулонной стали максимальной ширины на центральную обечайку.

Комплекс исследований показал ряд преимуществ многослойной конструкции перед монолитной, а именно: большой запас пластичности и деформативности, значительный ресурс работоспособности, вязкое разрушение сосудов, возможность уменьшения веса сосуда за счет высокой прочности рулонной стали малой толщины. Найдены способы эффективной защиты многослойных сосудов от водородной коррозии. Себестоимость изготовления рулонированных сосудов снизилась на 35... 40 % по сравнению с цельноковаными и на 20...25 % по сравнению со штампосварными.

На заводе «Уралхиммаш» в начале 1980-х годов организовано серийное промышленное производство крупногабаритных рулонированных сосудов, что было отмечено Государственной премией России по науке и технике. Такие сосуды уже более сорока лет успешно эксплуатируются на многих предприятиях.

Б.Е. Патон всячески поддерживает исследования, направленные на повышение работоспособности сварных конструкций в условиях эксплуатации. Для этого в 1970-е годы в ИЭС был создан один из наибольших в Украине по количеству и мощности оборудования (максимальное усилие достигало 800 т) испытательный комплекс и организованы масштабные исследования несущей способности материалов и сварных соединений, работающих в условиях статического, переменного и ударного нагружений. Отличие этих работ по сравнению с исследованиями других лабораторий состояло в том, что они проводились на больших образцах — моделях сварных соединений. Это имело принципиальное значение с точки зрения использования результатов лабораторных испытаний для прогнозирования работоспособности элементов сварных конструкций. Среди наиболее весомых достижений здесь следует отметить решение целого ряда методических вопросов, связанных с проведением испытаний на усталость. В итоге были существенно развиты представления о том, как влияют на сопротивление усталости концентрация напряжений, остаточные сварочные напряжения, изменение свойств металла в зоне термического влияния, вид, частота и форма нагружения, асимметрия цикла, высокочастотная составляющая цикла от вибраций, масштабный фактор и дефекты сварки.

Важной разработкой, способствовавшей успешному проведению указанных исследований, стало создание методологии и оборудования для измерения напряжений в элементах сварных конструкций. В основу нового неразрушающего метода было положено явление акустоупругости: фазовые скорости упругих волн при прохождении их через напряженное тело зависят от уровня напряжений. По данным измерения скоростей распространения продольной и двух сдвиговых волн ортогональной полярности определяются средние по толщине листа напряжения — как остаточные сварочные, так и напряжения от внешней нагрузки.

Известно, что сопротивление усталости сварных соединений в исходном после сварки состоянии ниже, чем у основного металла. Поэтому одним из приоритетных направлений стала разработка способов повышения несущей способности и долговечности сварных конструкций. Предпочтение здесь отдавалось дополнительной обработке сварных соединений, приводящей к изменению концентрации напряжений в зоне шва и перераспределению остаточных сварочных напряжений. В 1980-х годах в ИЭС разработана технология достаточно эффективной, высокопроизводительной и экономичной высокочастотной механической проковки зоны перехода от металла шва к основному материалу. Существенное повышение сопротивления усталости сварных соединений достигается при этом за счет увеличения радиуса перехода от металла шва к основному материалу и, следовательно, снижения концентрации напряжений, а также создания в этой зоне сжимающих остаточных напряжений и наклепа поверхностного слоя металла.

Помимо всестороннего изучения сопротивления сварных соединений хрупким, вязким и усталостным разрушениям Б.Е. Патон основной целью считает решение конкретных практических задач применительно к ответственным сварным металлоконструкциям, например таким, как мосты. В связи с тяжелым положением в сварном мостостроении, сложившимся в 1970-80-е годы (трещины усталости в типовых пролетных строениях железнодорожных мостов стали зарождаться через 1-7 лет эксплуатации) в 1985 году с его участием был разработан Координационный план работ по проблеме «Повышение стойкости сварных пролетных строений железнодорожных мостов против усталостных и хрупких разрушений». К выполнению этого плана были привлечены научно-исследовательские и проектные институты Министерства путей сообщения бывш. СССР, Министерства транспортного строительства бывш. СССР и Институт электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины. Планом предусматривались разработка мер для обеспечения безопасности движения поездов по пролетным строениям с усталостными трещинами и создание новых норм, правил проектирования и изготовления сварных мостов, а также новых типовых проектов сварных пролетных строений. В результате проведенных исследований и глубокого анализа условий работы элементов сварных конструкций мостов стало понятно, что в случае простой замены клепаных узлов пролетного строения сварными без изменения схемно-конструктивного решения, как это происходило при проектировании в 1950-70-х годах, не избежать резкого снижения циклической долговечности. Основная причина этого — возникновение высокочастотных вибраций в элементах пролетного строения и их наложение на напряжения от основных нагрузок. С учетом данного ключевого явления в ИЭС была разработана принципиально новая конструкция пролетного строения железнодорожного моста, имеющего подтвержденный на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в Щербинке ресурс около 100 лет. При этом была предложена замена продольных и поперечных связей из уголков соответственно листами-вставками на уровне верхних поясов и листовыми диафрагмами.

Проведен большой объем исследований, связанных с разработкой новых подходов к оценке механических свойств металлопроката и его нормативных характеристик прочности и пластичности, а также допускаемых напряжений, расчетных сопротивлений и коэффициентов безопасности, при которых прокат может быть использован в конструкциях и сооружениях. Одним из таких путей является дифференциация проката по разным уровням прочности. Она осуществляется на основании статистических данных относительно каждого вида и размера проката, выпускаемого металлургическими предприятиями. Расчетные сопротивления и допускаемые напряжения устанавливаются в зависимости от усредненных значений прочности и их вероятности для каждой группы металлопроката. Применение дифференцированого проката с повышенными прочностными параметрами дает возможность существенно снизить металлоемкость сварных конструкций.

Принципиально новым явилось создание крупногабаритных сварных конструкций преобразуемого объема, в основу которого были положены разработанные ранее в ИЭС для аэрокосмической техники принципы проектирования и изготовления цельносварных металлических оболочек (их размеры на период доставки на орбиту уменьшаются до размеров транспортных контейнеров). Разработаны расчетные схемы для определения напряженно-деформированных состояний трансформируемых конструкций в процессе преобразования и под действием эксплуатационных нагрузок, а также технология изготовления таких конструкций. Сварная емкость из стали 08Х18Н10Т была доставлена на место монтажа в виде пакета гофрированных дисков и развернута под давлением 0,1 МПа до проектного объема 40 м3. Преимуществами таких емкостей являются полная заводская готовность, минимальный габарит при транспортировке, минимальные трудозатраты при установке и развертывании на монтажной площадке. Они имеют перспективы широкого применения для хранения жидких и сыпучих продуктов.

Б.Е. Патон предложил применить в аэрокосмической технике и авиации сварные стрингерные панели и оболочки вместо дорогостоящих фрезерованных конструкций. В этом направлении разработана принципиально новая технология бездеформационной сварки стрингерных панелей и оболочек из высокопрочных алюминиевых сплавов, которая обеспечивает получение качественных швов большой протяженности при весьма низких остаточных сварочных напряжениях. Такие конструкции позволяют в 3-4 раза повысить коэффициент использования металла и могут эффективно использоваться для изготовления изделий, к которым наряду с прочностью и жесткостью предъявляются высокие требования по геометрической точности и весовым параметрам.

Важное значение имеют работы, посвященные вопросам комплексной механизации и автоматизации производства сварных конструкций. Примером эффективного решения здесь является автоматическая сборочносварочная линия для производства стропильных ферм длиной до 12 м и высотой до 2,5 м с конструктивными элементами из гнутосварных профилей прямоугольного сечения. Впервые в мировой практике производства таких конструкций осуществлены автоматическая сборка конструктивных элементов фермы и роботизированная сварка ее узлов. Рабочий цикл изготовления одной фермы составил 30 мин. Автоматизация и роботизация технологических процессов и сопутствующих им транспортных операций позволили значительно сократить затраты трудовых, материальных и энергетических ресурсов на единицу продукции.

Разработана также линия для высокомеханизированного изготовления газоплотных панелей энергетических котлоагрегатов. Она предоставляет возможность выпускать газоплотные панели длиной до 18 м и шириной до 3 м с применением автоматической сварки под флюсом труб и полосовой стали. Высокий уровень механизации и автоматизации сборочных, сварочных и транспортных операций позволяет существенно сократить затраты ручного труда при значительном повышении производительности и увеличении выпуска продукции на единицу производственной площади, повысить качество панелей и снизить их стоимость. Предложенные технические решения сохраняют актуальность и в настоящее время, так как для Украины необходимо собственное производство газоплотных панелей для крупных котлоагрегатов, являющихся основой энергетических предприятий.

Б.Е. Патону принадлежит идея автоматизации термической правки тонколистовых конструкций, получившая полноценное развитие в работах Института электросварки. Разработаны математические методы моделирования процесса термической правки, которые позволяют определять оптимальные технологические параметры этого процесса для конкретных типов конструкций. Создан автоматизированный комплекс для термической правки сварных тонколистовых конструкций на основе математического моделирования, применения манипуляционного робота, системы измерения деформаций и микроплазменного источника нагрева. Процесс автоматизированной термической правки позволяет исключить квалифицированный ручной труд, обеспечивает высокое качество поверхности конструкции, повышает производительность, улучшает соответствующие экологические показатели. Он находит применение в судо-, вагоно-, резервуаростроении и других отраслях промышленности, которые связаны с производством корпусных сварных конструкций.

Для решения проблем снижения удельной металлоемкости, увеличения эксплуатационной надежности и долговечности сварных конструкций важное значение имеет комплекс работ, направленных на создание и применение сталей высокой и повышенной прочности. Необходимый уровень их свойств обеспечивается экономным легированием, низким содержанием вредных примесей и соответствующей термической обработкой. Опыт изготовления и многолетней успешной эксплуатации ряда ответственных сварных конструкций из высокопрочных сталей (мощное горнорудное и нефтяное оборудование, платформы автомобилей особо большой грузоподъемности, строительно-дорожная и грузоподъемная техника, строительные сооружения и пр.) убедительно свидетельствует о надежности и эффективности разработанных материалов и технологических процессов сварки.

В последние годы большое внимание уделяется проблеме оценки прочности конструкций, имеющих эксплуатационные дефекты, определению и продлению их остаточного ресурса. Одним из многочисленных примеров этого направления деятельности может служить создание методики оценки прочности и остаточного ресурса эксплуатации трубопроводов, имеющих локальные коррозионные или эрозионно-коррозионные повреждения. Использование достижений этих разработок на предприятиях позволило практически исключить аварийные ситуации на трубопроводах тепловых станций, оценить остаточный ресурс безаварийной эксплуатации участков трубопроводов и выработать систему планирования ремонтов. Б.Е. Патон является инициатором и научным руководителем целевой научно-технической программы «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации конструкций, сооружений и машин», в выполнении которой участвуют многие институты Национальной академии наук Украины, вузы, отраслевые институты, промышленные предприятия.

Повышение надежности сварных конструкций в значительной мере обусловливается развитием методов неразрушающего контроля и диагностики. В ИЭС выполнен большой комплекс работ в этом направлении. Широкое применение получили созданные автоматизированные установки для ультразвукового контроля качества сварных соединений труб большого диаметра. Такие установки работают на трубных и металлургических заводах, трубосварочных базах, при строительстве магистральных трубопроводов. Проведены работы, связанные с контролем качества сварных соединений буровых долот, узлов энергетических установок, сварных соединений из легких сплавов и неметаллических материалов, а созданный в ИЭС комплект тренажеров позволяет эффективно обучать операторов. Борис Евгеньевич обратил внимание на новые технологические возможности ультразвукового контроля, которые предоставляет использование компьютеризированных дефектоскопов и высокочастотных акустических микроскопов, позволяющих контролировать ответственные узлы в энергетике, в машиностроении и космической технике. Он возглавил развитие работ в новых направлениях неразрушающего контроля, которые опираются на оценку технического состояния протяженных объектов с применением низкочастотных ультразвуковых волн, с использованием бесконтактного ввода акустических волн в объекты при помощи электромагнитоакустических преобразователей, с определением параметров дефектов при помощи дифракции акустических волн на дефектах и синтезированной фокусирующей аппаратуры, с созданием систем цифрового радиационного контроля.

Одновременно широкое развитие получили работы по акусто-эмиссионной диагностике, основанной на анализе сигналов, возникающих при деформировании материалов конструкций. Она дает возможность осуществления 100-процентного контроля объектов сравнительно небольшим количеством датчиков и определения разрушающей нагрузки на ранних стадиях возникновения опасных ситуаций. Проведены теоретические и экспериментальные исследования особенностей распространения волн акустической эмиссии — носителей информации о процессах, протекающих в материале при разрушении. Созданы информационноизмерительные системы для их регистрации и анализа. Соответствующая портативная аппаратура позволяет осуществлять надежный контроль технического состояния сосудов под давлением, магистральных трубопроводов и других конструкций. Сопоставление сигналов акустической эмиссии с реальными дефектами подтверждает высокую достоверность получаемой информации. Этим методом уже проведено диагностирование технического состояния более тысячи промышленных объектов. На основе его применения созданы системы непрерывного мониторинга аммиакопровода и крупногабаритных резервуаров для хранения аммиака. Такие системы будут находить все более широкое применение для проверки объектов, к которым предъявляются повышенные требования безопасности эксплуатации. Работы по неразрушающим методам контроля и технической диагностике отмечены Государственной премией Украины в области науки и техники за 2006 г.

Борис Евгеньевич основал новое научное направление, связанное с математическим моделированием в сварке и родственных технологиях. В 1964 г., когда еще только появились электронно-цифровые вычислительные машины весьма скромных возможностей, в ИЭС был создан отдел математических методов исследования физико-химических процессов сварки и родственных технологий.

С помощью методов математического моделирования сварочная наука получила целый ряд обширных знаний в области нагрева, плавления, кристаллизации металла, формирования микроструктур, кинетики развития напряжений и деформаций, особенностей образования горячих и холодных трещин, прогнозирования механических свойств шва и околошовной зоны.

Значительные успехи достигнуты в последние годы в прогнозировании ресурса безопасной эксплуатации сварных соединений и узлов, с учетом наличия трещиноподобных дефектов, а также с учетом деградации в процессе эксплуатации основных характеристик материалов, определяющих сопротивление хрупко-вязкому, усталостному и коррозионному разрушению. Разработанные подходы существенно вышли за пределы сугубо научных исследований. С их помощью решается много практических задач, связанных с безопасностью эксплуатации ответственных сварных конструкций.