Современные направления повышения прочности и ресурса сварных конструкций

14.07.2018
Роль сварных конструкций, широко используемых в строительстве, энергетике, транспорте, судостроении и других отраслях промышленности, неуклонно растет. Они работают на Земле, под водой, в космосе, при нормальных, высоких и криогенных температурах, в агрессивных средах и в условиях интенсивного радиационного облучения. Поэтому и непрерывно повышаются требования к их качеству, надежности и долговечности, что вызывает необходимость поиска новых конструктивно-технологических решений, совершенствования методов расчета, всестороннего исследования прочности сварных соединений, оптимизации технологий изготовления конструкций.

Так сложилось, что большинство эксплуатируемых во многих странах ответственных сварных конструкций приближается к своему критическому возрасту. В сложном положении оказался целый ряд отраслей промышленности (энергетика, транспорт и др.). Особое беспокойство вызывает техническое состояние мостовых сооружений. Тревожит состояние магистральных газо- и нефтепроводов. Возрастающая доля старых трубопроводов, отработавших свой нормативный срок, является одной из главных причин увеличения количества аварий. Все большую остроту приобретают проблемы ресурса энергетического оборудования на тепловых и атомных электростанциях, оборудования в нефтехимической промышленности, подвижного состава на железнодорожном транспорте. Положение осложняется еще и тем, что в отдельных случаях устарела или отсутствует нормативно-техническая документация, необходимая для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации промышленных и хозяйственных объектов.

Поэтому весьма актуальной является проблема разработки научно-технических подходов к оценке и продлению ресурса сварных конструкций. Такие подходы должны базироваться на комплексном анализе всех стадий жизненного цикла конструкций, включая проектирование, изготовление и эксплуатацию. Для получения достоверной информации об их техническом состоянии необходимо применение современных средств технической диагностики.

Массовая доля металла шва в сварных конструкциях редко превышает 1 %. Однако их роль в обеспечении безопасной работы конструкций более значительна. Как свидетельствует статистика, 70...80 % всех фиксируемых отказов конструкций связаны со сварными соединениями. Поэтому одной из важнейших задач является повышение качества проектирования сварных соединений с учетом современных требований. Проблема проектирования имеет много различных аспектов. Вот некоторые из них.

Первый аспект связан с необходимостью более детального изучения поведения различных зон сварных соединений современных конструкционных материалов применительно к реальным условиям эксплуатации часто сверхсложным и в течение длительного периода. В качестве примера можно привести один из достаточно известных во всем мире случаев сенсибилизации аустенитных сталей типа 18-10 (AIS1304), т. е. проявления склонности околошовной зоны сварных соединений таких сталей к образованию и развитию межкристаллитных коррозионных трещин под напряжением. Подобные разрушения были обнаружены на трубопроводах энергоблоков типа BWR американских АЭС еще примерно 30 лет назад. Около 25 % стыков трубопроводов имели указанные дефекты, что потребовало принятия кардинальных мер и больших затрат средств. На АЭС с энергоблоками типа РБМК основные технологические трубопроводы Ду 300 контура многократной принудительной циркуляции изготовлены с учетом американского опыта. Сталь марки 08Х18Н9Т отличается более высокой стойкостью против упомянутых выше разрушений. Тем не менее уровень этой стойкости оказался явно недостаточным для реальных условий эксплуатации, о чем свидетельствуют результаты произведенного контроля на Ленинградской, Курской, Смоленской и Чернобыльской АЭС. Сталь 08Х18Н9Т имеет относительно высокое содержание углерода, а стабилизации ее титаном недостаточно для подавления образования карбидов хрома в металле околошовной зоны сварных соединении. Однако это обстоятельство не было учтено при проектировании.

Следует отметить, что технология сварки стыков трубопроводов, примененная заводом-изготовителем, позволила обеспечить довольно высокую производительность труда. При этом уровень остаточных поперечных напряжений на внутренней поверхности труб был близок к пределу текучести материала, что также способствовало образованию и развитию в металле околошовной зоны межкристаллитных коррозионных трещин под напряжением. В значительной степени этого можно избежать путем изменения технологии сварки, т. е. за счет увеличения количества проходов и уменьшения погонной энергии сварки.

Проблема сварных соединений корпусов ядерных реакторов типа ВВЭР также хорошо известна. Ресурс блоков АЭС с реакторами этого типа определяется преимущественно радиационным ресурсом корпуса реактора, который в свою очередь зависит от сопротивления материала корпуса хрупкому разрушению. При этом основным и лимитирующим расчетным параметром для ВВЭР является критическая температура хрупкости металла сварного шва, расположенного напротив активной зоны реактора и испытывающего максимальное нейтронное облучение. К сожалению, высокое содержание вредных примесей в металле сварного шва (прежде всего фосфора, меди и др.) ускоряет охрупчивание и вызывает необходимость применения специальных дорогостоящих мер для его предупреждения.

Второй аспект проблемы проектирования сварных соединений, на который следует обратить внимание, — применение современных подходов механики разрушения для оценки предельных состояний сварных соединений при различных условиях нагружения. Объясняется это тем, что традиционный путь предотвращения разрушений сварных конструкций, заключающийся главным образом в ограничении размеров и количества дефектов, снижении концентрации напряжений, недопущении трещинообразных дефектов и обеспечении вязкости металла соответствующего уровня по результатам испытаний стандартных ударных образцов, не всегда гарантирует высокую надежность конструкций. Концепция, учитывающая существование в сварных конструкциях необнаруженных применяемыми методами неразрушающего контроля трещинообразных дефектов и получившая название «Оценка соответствия назначению», находит все большее признание во всем мире, поскольку в ее основу положены не только эмпирический опыт, но и количественные методы расчета. Несмотря на довольно значительные теоретические успехи в этом направлении, достигнутые и в Украине, практическое применение современных методов механики разрушения при проектировании сварных соединений сдерживается отсутствием соответствующей нормативной базы. Между тем МИС еще в 1990 г. выпустил документ «The fitness for purpose of welded structures» (IIW/IIS-1157-90), в котором подробно расписана процедура применения указанных подходов при проектировании сварных соединений, что вполне может быть основой для разработки соответствующей отечественной нормативной документации.

Одной из причин аварийных ситуаций на атомных и тепловых электростанциях является эрозионно-коррозионный износ внутренних поверхностей трубопроводов, транспортирующих рабочую среду в условиях высоких давлений, температур и скоростей. Существующие в СНГ нормативные документы, которые регламентируют отбраковку участков трубопроводов с такими повреждениями, не дают объективной оценки их работоспособности. В них единственным критерием допустимости дальнейшей эксплуатации считают толщину стенки трубопровода в зоне локального износа. В результате исследований, проведенных в ИЭС, разработан принципиально новый подход к оценке прочности участков трубопроводов с эрозионно-коррозионным износом и к прогнозированию их ресурса. Он базируется на теоретических и экспериментальных зависимостях, характеризующихся таким соотношением предельных размеров глубины и длины зоны повреждения, при которых обеспечивается расчетная прочность трубопровода в течение всего срока эксплуатации (рис. 1).

Особое положение занимает оценка эксплуатационного состояния и остаточного ресурса магистральных трубопроводов. Нет необходимости упоминать, что эти конструкции по своему значению, протяженности и экологическому воздействию играют первостепенную роль среди многих других инженерных сооружений. Исследования последних лет показали, что несмотря на эффективные, на первый взгляд, способы коррозионной защиты, в магистральных трубопроводах возникают многочисленные дефекты как коррозионного, так и механического происхождения. Когда речь идет о выявлении наиболее опасных эксплуатационных дефектов, нередко рассматриваются два альтернативных подхода: испытания трубопроводов повышенным давлением и внутритрубная диагностика.

Следует признать, что использование первого подхода не позволяет обеспечить необходимую работоспособность трубопроводов в связи с тем, что наряду с выявлением наиболее опасных зон он способствует развитию менее опасных дефектов, влияние которых на прочность может проявиться спустя некоторое время. Вместе с тем внутритрубная диагностика дает возможность фиксировать объемные коррозионные повреждения и измерять толщину стенки трубы с высокой степенью точности и достоверности. Однако обнаружение плоскостных дефектов в сварных соединениях сопряжено с определенными трудностями. Исходя из этого возникает необходимость в более точной оценке состояния трубопровода по данным выборочного контроля в отдельных, наиболее ответственных местах, так называемых горячих зонах. Диагностика этих зон составляет отдельную научно-техническую проблему. При этом возникает ряд задач, связанных с обоснованием метода определения мест шурфования и другими видами наружного неразрушающего контроля. Серьезность подобных задач иллюстрирует рис. 2, который дает представление о количестве и степени опасности коррозионных дефектов на одном из нефтепроводов.

Проблемы, связанные с диагностикой магистральных трубопроводов, не ограничиваются результатами внутритрубного неразрушающего контроля. Возникает ряд аспектов, связанных как с расчетной оценкой допускаемых дефектов, так и с оптимизацией ремонта магистральных трубопроводов. Следует отметить, что существующие нормативы и лите ратурные данные имеют значительные расхождения в отношении опре деления размеров допускаемых дефектов. Кроме того, условия роста технологических дефектов во времени требуют дополнительного изучения. В частности, исключая коррозионное воздействие, необходимо четко определить, при каких условиях возможен рост усталостных трещин от обычных технологических дефектов.

При определении работоспособности трубопроводов необходимо учитывать возможную деградацию служебных свойств металла в результате старения во времени (например, общие и локальные изменения вязкости разрушения, связанные с особенностями гидравлического и механического эспандирования труб, формовки и т. д.). Без учета этих особенностей могут возникать недопустимые погрешности в оценке трещиностойкости трубопроводов.

Как показывает практика, условия эксплуатации трубопроводов, отличающиеся от нормативных, могут весьма существенно изменить механические свойства металла. В данном случае важное значение имеет напряженно-деформированное состояние и среда. Нужно отметить, что под действием этих факторов охрупчивание металла происходит в локальных зонах и его не следует распространять на весь металл трубопровода.

На изменение свойств металла существенно влияет пластическая деформация. Она может возникать в зонах конструктивных концентраторов напряжений (места вварки тройников, отводов), различного рода дефектов (трещины, непровары, несплавления, вмятины, царапины, риски, изменения геометрии трубы. Результаты исследования влияния на вязкость разрушения уровня пластической деформации растяжения е1 и сжатия е2 металла труб представлены в табл. 1. Вязкость разрушения трубных сталей после пластического деформирования значительно уменьшается. Так, при достижении показателя деформации 20 % сопротивление стали марки 17Г1С инициированию вязкого разрушения снижается практически до уровня хрупкого состояния. Наиболее низкие значения вязкости разрушения были зафиксированы на образцах, имитирующих типичные механические повреждения металла труб — вмятины с неглубокими поверхностными надрывами (трещинами).

Поскольку большая часть сварных конструкций работает в условиях повторно-переменных нагружений, важной проблемой является усталость сварных конструкций, от которой зависит долговечность сварных мостов, подвижного железнодорожного транспорта, грузоподъемных машин и оборудования, морских стационарных платформ, антенно-мачтовых сооружений, сельскохозяйственных машин и многих других конструкций. Поэтому необходимо серьезное внимание уделять разработке способов повышения сопротивления усталости сварных соединений. Эффективным является применение упрочняющей технологической обработки швов, особенно ультразвуковой ударной. Этот способ является развитием технологий поверхностного пластического деформирования сварных швов. Такая обработка вызывает также релаксацию остаточных напряжений в шве и создает благоприятные напряжения сжатия в поверхностных слоях металла.

Рис. 3 иллюстрирует эффективность использования ультразвуковой ударной обработки сварных соединений для повышения сопротивления усталости трубчатых узлов, в результате которой предел усталости повысился в два раза и на порядок увеличилась долговечность.

В сварных соединениях сплошностенчатых пролетных строений железнодорожных мостов, рам тележек и кузовов некоторых видов железнодорожных локомотивов и вагонов, кранов и других конструкций зафиксировано преждевременное образование усталостных трещин на ранней стадии их эксплуатации, причем чаще всего в тех элементах конструкций, в которых не предполагалось их появление и которые не рассчитывались на воздействие переменных напряжений. Образование трещин обусловлено неучетом влияния местных напряжений и вибраций, возникающих вследствие необоснованного выбора при проектировании схемно-конструктивных решений, а также других факторов. В этой связи возникает необходимость в разработке эффективных мер по торможению и остановке трещин в элементах эксплуатируемых конструкций.

На рис. 4 представлены результаты сопоставления эффективности различных способов торможения усталостных трещин. Общепринятым и наиболее технологичным способом остановки усталостных трещин является заварка по предварительной разделке участков элементов конструкций, поврежденных трещиной. В тех случаях, когда ремонт элементов конструкций при помощи сварки затруднителен, для торможения трещин может быть рекомендован способ высверливания отверстий в их вершинах с установкой в них высокопрочных болтов или сравнительно легко реализуемые способы, основанные на искусственном формировании перед вершиной трещины благоприятных остаточных напряжений сжатия путем использования статической перегрузки, локальной взрывной обработки или локального нагрева.

Существенный резерв повышения надежности и долговечности сварных конструкций при одновременном снижении их металлоемкости заключается в совершенствовании подходов к нормированию расчетных нагрузок и допускаемых напряжений. Весьма актуальными являются исследования действительной нагружености сварных узлов. Основные причины возникновения дополнительных напряжений заключаются в отличиях эксплуатационной нагружености и реальной работы конструкции от расчетных схем, принятых при проектировании. Эти отличия прежде всего связаны с особенностями передачи нагрузок в конструкциях, со спецификой перераспределения усилий в узлах и возникающим взаимовлиянием элементов, наличием допусков на отклонения по геометрическим размерам, с вибрацией отдельных конструктивных деталей.

Так, например, в балочных пролетных строениях железнодорожных мостов появляются усталостные трещины в стенках главных балок у обрывов поперечных ребер жесткости (рис. 5). Причина появления таких повреждений связана с образованием дополнительных напряжений от взаимодействия элементов пролетного строения и с наложением вибраций отсеков стенок балки. Для повышения усталостной долговечности этих узлов рекомендована приварка ребер жесткости к поясу балки и к стенке с полным проваром и последующей ультразвуковой ударной обработкой сварных швов. Результаты испытаний на экспериментальном кольце ВНИИЖТ (Россия) при наработке, эквивалентной 20 годам эксплуатации на сети железных дорог, подтвердили эффективность такой модернизации конструкции.

Актуальным является развитие научно обоснованных подходов к продлению назначенного срока службы несущих конструкций ответственного назначения при гарантированном обеспечении безопасности их эксплуатации. Продление ресурса работы таких конструкций дает значительный экономический эффект, однако требует пересмотра регламентированных действующими нормами сроков службы. Повысить остаточный ресурс можно за счет более полного использования заложенных при проектировании запасов прочности и учета несоответствия между расчетной и фактической наработками. Резервом продления сроков службы являются результаты анализа действительной работы конструкции, обобщения опыта эксплуатации, модернизация и восстановительный ремонт наиболее слабых узлов, совершенствование методов расчета с использованием новых более обоснованных критериев предельного состояния. Упомянутый подход к гарантированному обеспечению остаточного ресурса с целью продления срока службы конструкций опробован на пролетных строениях мостов, цистернах для перевозки жидкого диоксида углерода, мостовых кранах, экскаваторах. В настоящее время он используется для продления эксплуатации несущих конструкций тягового подвижного состава на железных дорогах Украины.

В решении проблем снижения удельной металлоемкости, увеличения эксплуатационной надежности и долговечности машин, механизмов и инженерных сооружений важное значение имеет рациональное использование высокопрочных мартенситно-бейнитных сталей с пределом текучести 600...1000 МПа (табл. 2). Необходимый комплекс их свойств достигается при содержании 0,10...0,17 % углерода путем легирования марганцем, хромом, никелем, молибденом и другими элементами (при суммарном содержании до 4...6 %) и применения термической обработки.

Главные трудности при сварке высокопрочных мартенситно-бейнитных сталей обычно связаны с необходимостью предотвращения образования в металле шва и ЗТВ холодных трещин, а также формирования структур, снижающих сопротивляемость сварных соединений хрупким разрушениям. Поэтому для достижения свойств сварных соединений таких сталей, равноценных основному металлу, и предупреждения образования в них холодных трещин были разработаны присадочные материалы для основных процессов дуговой сварки (табл. 3). Отсутствие концентраторов и низкий уровень остаточных напряжений сварных соединений высокопрочных сталей способствуют удовлетворительному сопротивлению зарождению и развитию усталостных и хрупких разрушений. 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 технолога ческих процессов сварки.

Повышение надежности и долговечности сварных конструкций обусловлено совершенствованием методов их диагностики. Большие возможности в этом отношении предоставляет метод акустической эмиссии. Разработаны специализированные методики и оборудование на основе использования эффекта акустической эмиссии, возникающей при деформировании и разрушении материалов.

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. При этом осуществляется локация ослабленных зон на ранних стадиях разрушения. Конечной задачей является определение остаточного ресурса. Акустоэмиссионным методом (АЭМ) в настоящее время проводится диагностирование различных объектов промышленности.

На основе применения АЭМ возможно в будущем создание систем непрерывного мониторинга работоспособности конструкций, к которым предъявляются повышенные требования по безопасности их эксплуатации. Такие системы могут решать задачи оценки технического состояния не только наземных объектов, но и, например, космических станций с передачей информации на Землю. Весьма эффективно также при-менение передвижных диагностических лабораторий, оснащенных базовой акусто-эмиссионной аппаратурой.

Большие возможности для диагностики сварных конструкций имеют методы оптической голографии. В ИЭС им. Е.О. Патона разработаны методики контроля качества и определения напряженно-деформированных состояний сварных соединений и конструкций на основе голографической интерферометрии. Созданы компактные голографические приборы, которые устанавливаются непосредственно на исследуемом объекте и не требуют специальной виброизоляции. Разработаны автоматизированные системы компьютерной обработки голографических интерферограмм. Особенно эффективно применение голографии для выявления трудноконтролируемых дефектов в элементах и узлах конструкций из металлических и неметаллических материалов. Так, на рис. 6 представлены результаты контроля качества сварного соединения, полученного новым перспективным способом сварки ротационной сваркой трением. Этот способ уже эффективно применяется для сварки конструкций ответственного назначения из алюминиевых сплавов. Однако открытым остается вопрос обеспечения достоверного и надежного контроля качества сварных соединений, поскольку при таком способе сварки возможно появление дефектов типа «слипание», которые трудно проконтролировать рентгеном и ультразвуком. Голографическая интерферометрия дает возможность выявлять эти дефекты.

Они обнаруживаются по изменению интерференционной картины полос в сравнении с картиной, фиксируемой на участке сварного соединения без дефекта.

В заключение уместно отметить, что решение важных проблем повышения прочности, надежности и долговечности сварных конструкций требует активного сотрудничества специалистов ведущих сварочных центров мира.