О повышении несущей способности и долговечности сварных конструкций

Известно, что переход на сварные соединения позволил существенно снизить трудовые и материальные затраты при производстве металлоконструкций машин и сооружений. Под влиянием сварки изменилось и продолжает изменяться конструктивное оформление различных сопряжений, узлов и соединений. Появилась возможность использовать более совершенные системы металлоконструкций и применять элементы с развитыми замкнутыми сечениями. Современный уровень сварочного производства позволяет обеспечить необходимую несущую способность таких элементов без каких-либо вспомогательных соединительных деталей, которые в прежних конструкциях составляли до 30 % их массы.

Ho было бы неправильно роль сварочного производства сводить только к получению качественных соединений необходимой прочности и долговечности при минимальных затратах труда на их выполнение. Это важный и достаточно сложный вопрос. Ho он является лишь частью решения основной задачи сварочной науки и техники — создания экономичных и высокопрочных сварных изделий и конструкций. He отдельно взятые соединения, а конструкция в целом должна рассматриваться как конечный продукт сварочного производства.

На всех этапах создания конструкций сварочное производство играет важную, а зачастую и определяющую роль. Выбор материала, конструирование, заводское изготовление, монтаж, эксплуатационная надежность конструкции прежде всего определяются сегодняшними возможностями сварочного производства, его достижениями или, наоборот, теми ограничениями, которые оно ставит. В то же время создание той или иной конструкции определяет появление соответствующего арсенала способов сварки, рождение новых технологий, во многих случаях исходящих от сварщиков. Поэтому всегда существует взаимное влияние и тесная связь между создаваемой конструкцией и сварочным производством. Можно было бы привести множество примеров такой связи, способствующей, в конечном счете, повышению надежности, долговечности, экономичности изделий и конструкций. Достаточно вспомнить, какую роль в этом отношении сыграла дуговая сварка в развитии мостостроения, промышленного строительства и вагоностроения, в освоении секционного метода строительства корпусов сосудов, рулонного способа изготовления резервуаров; электрошлаковая — в коренном изменении технологии изготовления крупногабаритных изделий тяжелого машиностроения и толстостенных сосудов; контактная — в строительстве трубопроводов; электроннолучевая сварка — в энергетическом машиностроении и т. д. Активное «вмешательство» сварщиков в создание новых материалов и рациональных конструкций, обладающих повышенной надежностью и долговечностью, продолжается и в настоящее время. Примерами могут служить сварные многослойные трубы и создаваемые в ИЭС новые материалы — AKM и КСМ.

Известно, что обеспечение неразрушимости магистральных газопроводов является в наше время одной из самых важных и сложных задач. Наблюдалось много случаев их разрушения, в том числе и лавинного. Чтобы исключить хрупкие лавинные разрывы магистральных газопроводов, трубы изготовляют из хладостойкого металла. Последний получают в строго контролируемых (как по температуре, так и по степени обжатия) условиях проката, и при этом он должен содержать дефицитные добавки. К примеру, в японских трубных сталях Х-60 и Х-70 контролируемой прокатки содержится только 0,01 % С, но они легированы ниобием, молибденом, бором, никелем и другими дефицитными добавками. Однако использование даже таких сталей не исключает катастрофических аварий газопроводов. Отличие заключается лишь в том, что при этом вместо лавинных хрупких разрушений наблюдаются протяженные вязкие разрывы. За последние годы в США произошло десять таких разрывов. Протяженность каждого из них превышала 300 м. Были подобные разрушения и в отечественных магистральных газопроводах, построенных из хладостойких импортных труб.

Повышение предела текучести и хладостойкости влечет за собой снижение относительного сопротивления разрушению в вязком состоянии. Поэтому добиться одновременного увеличения прочности стали, обеспечить требуемую хладостойкость и повышенное сопротивление развитию нестабильных вязких разрывов весьма сложно, а применительно к газопроводам на давление 9800 кПа (100 атм) и более — вряд ли достижимо в настоящее время при массовом производстве.

Переход на многослойные трубы снимает эту проблему. Такие трубы могут изготовляться из сталей, не содержащих дефицитные добавки.

Существенно меняется положение и в случае постановки специальных гасителей разрушения в газопроводах из труб с монолитной стенкой. Поскольку эти гасители исключают образование протяженных разрывов, отпадает необходимость в повышении сопротивления стали вязким разрывам. Более того, есть основания полагать, что существующие требования к сталям можно понизить.

Все это указывает на то, что обеспечение чисто металлургическим путем надежной работы магистральных газопроводов и других конструкций во многих случаях достигается значительно большей ценой, чем при использовании конструктивных или конструктивно-металлургических подходов.

Широкое распространение мнения о том, что созданием соответствующих сталей и сварочных материалов можно обеспечить заданную неразрушимость изделий и сооружений, привело к тому, что в последнее время заметно уменьшился интерес к конструктивным и технологических мерам повышения их надежности и долговечности. Изысканием рациональных систем, узлов и соединений сварных конструкций теперь занимаються значительно меньше, чем раньше, когда выбор материалов был более ограниченным. В ряде случаев стали пренебрегать некоторыми прежними правилами конструирования и изготовления, забывать то, что в прошлом вызывало немало аварий.

Очагами разрушений во многих металлоконструкциях служили второстепенные элементы: составные ребра жесткости и фасонки, уторные кольца, кремальерные рейки, различного рода обрамления и другие подобные второстепенные детали, которые имели незаваренные щели или малые зазоры и приваривались к основным несущим элементам продольными швами (рис. 1). Поскольку указанные щели не ослабляют расчетное сечение, на них не обращали внимания. Ho именно они служили инициаторами разрушений и аварий, которые наблюдались в сферических резервуарах, опорах линий электропередач, палубах траулеров, пролетных строениях, фермах и во многих других сварных конструкциях. He останавливаясь сейчас на взаимодействии факторов, которые приводят к резкому понижению прочности (об этом писалось уже достаточно), можно напомнить, что в случае таких прикреплений несущие элементы из низкоуглеродистых сталей могут разрушиться при номинальных напряжениях величиной лишь 20...30 МПа. При этом чем толще несущий элемент, тем ниже будет его прочность при низких температурах. Переход на обычные низколегированные конструкционные стали ненамного улучшает это положение.

Нормами и правилами проектирования и изготовления сварных конструкций такие соединения не допускаются. Тем не менее они продолжают встречаться и в новых проектах и еще чаще — в реальных конструкциях. Достаточно сказать, что такие прикрепления были обнаружены на одном из олимпийских объектов в Киеве; выявилось также, что в транспортных тележках весьма ответственных и дорогостоящих изделий встык свариваются только полки швеллеров, а стенки, как в прежние времена, «усиливаются» накладками, угловые швы которых пересекают узкую щель между стыкуемыми стенками. Этот перечень можно было бы продолжить, но вывод очевиден: многие инженеры и техники не имеют соответствующей подготовки. В учебных курсах металлических конструкций строительных институтов, например, вопросы конструктивного оформления сварных соединений с учетом их хладостойкости не рассматриваются.

Вторую значительную группу составляют разрушения, в которых хрупкие разрывы вызывались усталостными трещинами. Следует подчеркнуть, что в условиях низких климатических температур при наличии дополнительных ударов (даже незначительных) переход от усталостного к хрупкому разрушению может произойти, когда глубина усталостной трещины составляет только 3,5...4 мм. В частности, такие разрушения наблюдались в экскаваторах и вагонных тележках. Небезопасно появление усталостных трещин также и в других изделиях и сооружениях, работающих в аналогичных и менее жестких условиях.

Известно, что в исходном состоянии сварные соединения обладают меньшим сопротивлением усталости, чем основной металл. На рис. 2 представлены кривые усталости основного металла, стыкового и нахлесточного соединений. Предел выносливости стыкового соединения составляет примерно половину, а нахлесточного (в зависимости от его вида) — 1/6...1/4 предела выносливости основного металла с прокатанной поверхностью. Тем не менее даже такие сравнительно низкие уровни предела выносливости соединений могут оказаться вполне достаточными для исключения усталостных разрушений. При рациональном проектировании это достигается за счет более глубокого изучения и анализа действующих нагрузок, выбора соответствующих конструктивных решений узлов и соединений, размещения стыков в менее нагруженных сечениях и т. д. Однако в ряде случаев сварные соединения в исходном состоянии не могут обеспечить неограниченную выносливость конструкций или их заданную долговечность по числу циклов. Тогда прибегают к дополнительной обработке соединений или переходят на более прочные стали. Здесь уместно отметить, однако, что некоторые нормы предписывают проводить такую обработку независимо от размаха действующих напряжений. Механической обработке, например, подвергаются сейчас все сварные соединения растянутых элементов железнодорожных мостов. Это существенно повышает трудозатраты. Механическая зачистка швов по трудоемкости превосходит сборку и сварку, взятые вместе. Тем не менее зачистка продолжает оставаться у нас наиболее распространенным способом повышения сопротивления усталости сварных соединений.

За рубежом вместо механической зачистки швов широко используется заглаживание швов путем оплавления их границ вольфрамовым электродом в среде инертных газов. В ГДР разработан специальный автомат для сварки стыков в СО2 с дополнительным устройством, позволяющим одновременно со сваркой выполнять такое заглаживание. На этом автомате установлены две стандартные горелки с защитой дуги аргоном. В Японии фирмой Мицубиси для повышения сопротивления усталости нахлесточных соединений разработана аппаратура и технология дополнительной наплавки кромок шва мягкой ионной плазмой в СО2. В нашей стране такая обработка применяется реже, хотя технология ее разработана и достаточно подробно изложена в соответствующих инструкциях. При пересмотрах норм проектирования и изготовления сварных конструкций электродуговую обработку следует рекомендовать взамен или наравне с механической зачисткой швов.

Известны способы повышения сопротивления усталости соединений, основанные на искусственном наведении сжимающих остаточных напряжений. К ним относятся статическая перегрузка конструкций, поверхностный наклеп, точечный и местный нагрев, точечное и линейное пластическое обжатие, импульсная (взрывная) и ультразвуковая обработка, а также нанесение соответствующих покрытий. Об эффективности этих способов обработки в сравнении с упомянутыми выше (основанными на уменьшении концентрации напряжений) можно судить по данным, приведенным в таблице.

Хотя не существует универсального способа, одинаково эффективного для всех видов соединений и условий их работы, приведенные данные позволяют заключить, что местная обработка, повышающая выносливость металла за счет наведения сжимающих остаточных напряжений, для большинства соединений оказывается более действенной, чем способы, основанные на снижении концентрации напряжений. Исключение составляют стыковые соединения, для которых механическая зачистка швов и электродуговая обработка столь же эффективны, как и поверхностный наклеп. Однако на практике такие виды обработки применяются редко. В последнее время в вагоно- и тепловозостроении некоторые швы после их заглаживания электродуговым способом стали дополнительно наклепывать многобойковым устройством. Возможно, что такая комбинированная обработка в ряде случаев оправдана. Ho она была бы неоправданной при массовом использовании.

Из всех известных видов обработки наименее трудоемкой является импульсная (взрывная). Речь идет не об упрочнении взрывом всего изделия, а о локальной обработке (значительно меньшей интенсивности), направленной в основном на создание в зонах концентрации сжимающих остаточных напряжений. Впервые такая обработка была предложена ИЭС в начале 60-х годов. После соответствующей публикации описанные опыты повторили за рубежом. Затем в Канаде, Австралии и Японии были проведены новые исследования в этом направлении, и, по-видимому, такая обработка нашла там прямое применение. В нашей стране и в Югославии использовать ее удалось главным образом для снятия остаточных напряжений в стыковых швах декомпозеров с целью повышения коррозионной стойкости последних. Найти энтузиастов, которые помогли бы преодолеть организационные и формальные препятствия, связанные с внедрением взрывной обработки на заводах металлоконструкций, пока не удалось.

В настоящее время создается ультразвуковой способ обработки соединений. Эта работа проводится совместно с одним из судостроительных заводов. Первые ее результаты обнадеживают.

Другой путь повышения сопротивления усталости сварных конструкций — это переход на более прочные стали. Ho данное направление часто используется без ясного представления о том, в каких случаях эта мера действительно может дать определенный эффект, а в каких она приводит только к удорожанию конструкции. He много и литературных источников по этому вопросу, не говоря уже об отсутствии соответствующих норм. При схематическом рассмотрении дело обстоит следующим образом.

Кривые усталости сварных соединений (рис. 2) резко меняют свой наклон в двух точках. Верхний перелом чаще всего наблюдается в интервале 5...10 тыс. циклов, нижний — при 1,5...4 млн. На основе этого выбор стали из условия повышения долговечности конструкции следует увязывать с тем, какой из участков кривой является для нее наиболее характерным.

Металлоконструкции оборудования атомной энергетики, металлургической и химической промышленности испытывают за срок своей службы небольшое число перемен напряжений, обычно менее 10000, т. е. для них характерен верхний участок кривой усталости. Из двух одновременно протекающих процессов накопления повреждений на этом участке — усталостного и квазистатического — определяющим разрушение является последний (квазистатический). Этот процесс сопровождается накоплением односторонних деформаций с образованием шейки, подобно разрушению при однократном приложении нагрузки. Поскольку в сварном соединении металл шва и зона термического влияния часто обладают более высокими механическими свойствами, квазистатическое разрушение развивается, как правило, в основном металле, вдали от соединения. В таких условиях переход на стали повышенной и высокой прочности вполне оправдан. Подтверждением этого могут служить представленные на рис. 3 кривые малоцикловой усталости необработанных стыковых соединений сталей различной прочности.

Иное положение наблюдается на двух других участках кривой усталости сварного соединения. Верхний перелом кривой обусловливает не только смену характера разрушения (последний становится усталостным), но и предопределяет место его появления. Разрушаться начинает

сварное соединение. Трещина зарождается по месту перехода от шва к основному металлу либо в зоне дефекта. По мере понижения уровня действующих напряжении кривые усталости сварного соединения, относящиеся к различным сталям, начинают сближаться. На уровне предела выносливости, а в ряде случаев и выше они практически сливаются.

На рис. 4 совмещены диаграммы предельных напряжений, относящиеся к не обрабатываемым после сварки стыковым соединениям низкоуглеродистой, низколегированной и высокопрочной сталей. Ветви диаграмм совпадают, размахи напряжении одни и те же. Следовательно, в тех случаях, когда сварные элементы испытывают сравнительно невысокие напряжения при большом числе их перемен (это относится к вагонам, тепловозам, кранам, экскаваторам, мостам, цементным печам и многим другим конструкциям), переход на стали повышенной прочности должен сопровождаться обработкой наиболее ответственных сварных соединений. Только при этом условии удается использовать преимущества таких сталей. И чем выше их прочность, тем тщательнее должна проводиться та или иная обработка. Эти положения не нашли еще отражения в нормах проектирования и изготовления конструкций.

Большой резерв повышения надежности и долговечности машин и сооружений при одновременном снижении их металлоемкости заключен в более обоснованном подходе к нормированию расчетных нагрузок. В то же время из-за неучета дополнительно действующих усилий и влияния отдельных перегрузок преждевременное образование трещин и разрушения наблюдались в экскаваторах, подкрановых балках, газгольдерах, воздухонагревателях доменных печей и в других конструкциях.

Установление расчетных нагрузок должно основываться на изучении действительной нагруженности эксплуатируемых конструкций, статистическом и вероятностном подходах и достоверном прогнозировании возможного изменения нагрузок в будущем. Одновременно в правилах проектирования должны рекомендоваться соответствующие методы расчетов, конструктивные и другие меры, позволяющие исключить преждевременные разрушения, вызываемые не учитывавшимися ранее факторами. В этом направлении большие работы выполняются ЦНИИПроектстальконструкцией. В частности, совместно с ИЭС они проводятся применительно к глубоководным морским основаниям, подкрановым балкам и ортотропным плитам автодорожных мостов.

Насколько эффективным является такой путь повышения несущей способности и долговечности конструкций, можно судить по следующему примеру.

В 1966 г. Воронежскому экскаваторному заводу имени Коминтерна предстояло выпустить образец одноковшового универсального экскаватора в северном исполнении. ИЭС поручалось разработать технические условия на проектирование и изготовление стальных конструкций рабочего оборудования этого экскаватора и принять участие в его изготовлении на заводе.

Работа была начата с изучения действительной нагруженности основных элементов и узлов подобного экскаватора с таким же объемом ковша в эксплуатационных условиях. Запись напряжений проводилась одновременно с регистрацией действующих усилий в течение многих рабочих циклов. После этого не составляло большого труда обнаружить слабые места, правильно запроектировать узлы, свести к минимуму обработку швов и т. д. Этот опытный экскаватор модели Э-2005 на протяжении многих лет успешно работает на Норильском горнометаллургическом комбинате имени А.П. Завенягина, хотя его расчетный ресурс давно уже истек. При этом следует отметать, что экскаватор изготовлен из обычной стали 09Г2С. Подобные экскаваторы уже серийного производства, благополучно эксплуатируются на многих предприятиях.

К аналогичным результатам привело изучение работы золотодобывающей драги, некоторых антенно-мачтовых сооружений и других конструкций. Такие исследования необходимо развивать.

Однако любые исследования, направленные на повышение надежности и долговечности машин и сооружений, ни к чему не приведут, если качество изготовленной на заводе конструкции будет низким. Достаточно сказать, что одна треть всех усталостных разрушений металлоконструкций сооружений и машин, резервуаров и сосудов высокого давления обусловлена дефектностью сварных соединений. Этот вопрос требует особого рассмотрения.

He затрагиваются в данной статье и многие другие вопросы, связанные с рассматриваемой проблемой, например положение дел с использованием достижений механики разрушения при решении конкретных практических задач, особенно в связи с внедрением новых материалов и технологий; наблюдаемый большой разрыв во времени между окончанием исследовательских работ н включением в нормативные документы соответствующих рекомендаций; необходимость развития теоретических основ надежности сварных конструкций и т. д.

Однако и приведенных выше примеров, очевидно, достаточно, чтобы прийти к заключению, что уровень проектирования сварных конструкций во многих случаях не отвечает еще требованиям времени, а качество их изготовления должно быть существенно повышено. Важную роль в улучшении этого положения обязаны сыграть сварщики.