Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

i При создании сварной конструкции, то есть в процессе проектирования и изготовления, стремятся наделить ее такими характерными особенностями, которые обеспечили бы ей требуемую работоспособность и экономичность изготовления. При этом, естественно, приходится учитывать действие факторов, предопределяющих эти характерные особенности. Главные из них — это служебное назначение сварной конструкции, условия ее эксплуатации, стоимость и условия производства.
...
Значительную группу составляют сварные конструкции, предназначенные для хранения газообразных, жидких и сыпучих материалов. По своему назначению это должны быть оболочки. Для газообразных продуктов, создающих равномерное внутреннее давление, наиболее ■кономичной формой в отношении массы материала является сфера. Однако многие оболочки для хранения газов имеют цилиндрическую форму. Жидкие материалы создают гидростатическое давление, но могут Также находиться под равномерным внутренним давлением. Если имеется только гидростатическое давление, то наиболее рациональной формой является каплевидная форма оболочки, но по экономическим соображениям такая форма резервуара используется крайне редко. Для Хранения жидких материалов наибольшее применение получила Цилиндрическая форма вертикальной оболочки с переменной толщиной стенки по высоте.
...
Для хранения сыпучих материалов крупных сварных емкостей обычно не сооружают. С целью обеспечения возможности ссыпать материал за счет их веса, оболочки нередко делают коническими. В этом случае удачно сочетается удобство транспортировки с требованием минимального веса — стенка конической оболочки может иметь постоянную толщину, что при соответствующем уменьшении радиуса оболочки обеспечивает мало изменяющиеся окружные напряжения.
...
Форму оболочек имеют также многие элементы различных сооружений, если они предназначены для хранения или удержания сыпучих материалов. Это корпуса домен, различные ковши, бункеры, засыпные аппараты, корпуса цементных печей и др.
...
Транспортные сварные конструкции по своему назначению являются вместилищем транспортируемых предметов или сред, но одновременно должны быть приспособлены к определенному способу их передвижения. Они подразделяются на две крупные группы: группа, в которой движется только продукт, а основная масса конструкции
...
Первую группу составляют различные трубопроводы, в которых движение осуществляется за счет перепада давления. Когда транспортируемыми продуктами являются газы, жидкости или материалы с относительно некрупными частицами, давление оказывается значительным. В этом случае поперечное сечение трубы целесообразно иметь круглым.
...
Во вторую группу транспортных конструкций входят автомобили, железнодорожные вагоны, суда, самолеты. Для этой группы одним из основных требований является требование минимальной массы, затем требование жесткости, а также прочности. Несмотря на то, что требование минимальной массы, казалось бы, должно являться решающим для транспортной конструкции, лишь самолеты изготовляют из легких сплавов. Экономические требования, а также требования в отношении жесткости конструкций в большинстве случаев оказываются более существенными, чем требование минимальной массы.
...
Значительная часть строительных сварных конструкций предназначена для восприятия и передачи нагрузок, возникающих от веса сооружений и транспортных средств. Это металлические элементы зданий промышленного или культурного назначения (стойки, балки, купола разнообразного вида), а также мосты, мачты, опоры линий электропередач и др.
...
Служебное назначение машиностроительных сварных конструкций многообразно. Значительную группу составляют так называемые корпусные конструкции — корпуса редукторов, корпуса двигателей, турбин, станины станков, прессов, молотов, агрегатов прокатного и металлургического оборудования. Для этих деталей одним из основных является требование высокой жесакости, в некоторых случаях также и прочности. В крупных машинах для обработки металлов давлением встречаются массивные детали, предназначенные для передачи больших усилий: валки, бабы, подштамповые плиты. Основным требованием для них является высокая прочность.
...
В определенную группу можно выделить толстостенные цилиндры давления, реакторы, котлы, полые валы, штоки, ротора. Для них характерно наличие продольных и кольцевых швов большого сечения. Отдельную группу составляют шестерни, для которых необходима высокая жесткость, а для зубчатых элементов — контактная прочность при переменных нагрузках. Нередко сваркой соединены детали из материалов разного химического состава.
...
В энергетических машинах значительный объем составляют трубопроводы, фланцы, соединения труб с плоскими и криволинейными поверхностями, для которых основным требованием является прочность и жаропрочность.
...
Большая часть элементов машиностроительных сварных конструкций подвергается термической и механической обработке, в том числе и упрочняющей. В этом одна из основных их особенностей.
...
К условиям эксплуатации обычно относят нагрузки, температуру, среду, с которой соприкасается сварное соединение, радиацию и время, В течение которого происходит действие перечисленных факторов.
...
Условия эксплуатации влияют главным образом на выбор материала, типов сварных соединений, способов сварки и послесварочной обработки сварных конструкций.
...
Влияние нагрузок весьма многообразно. Нагрузки различают по скорости их приложения и по продолжительности действия. Для статической нагрузки характерно относительно медленное ее приложение. Многократные статические нагрузки, следующие с частотой не более ■одного нагружения в секунду, условно относят к повторно-статическим. Целее частые нагрузки, естественно, осуществляются с более высокой «коростью и меньшей продолжительностью действия в одном цикле. Нагрузки могут быть созданы как внешними воздействиями, например силами, так и собственными деформациями, например, при неравномерных нагревах и структурных превращениях. Внешние воздействия, как правило, характеризуют значениями сил и значительно реже уровнем перемещений.
...
Нагрузки в сочетании с формой сварных соединений и элементов "конструкций образуют сложные распределения напряжений, ог которых в большинстве случаев зависят прочность и работоспособность сварных Соединений.
...
Ударный характер приложения нагрузок также относят к числу наиболее тяжелых режимов работы сварных конструкций. Многие стали чувствительны к увеличению скорости приложения нагрузок в области умеренно низких или даже положительных температур, в особенности при наличии концентраторов напряжений. Это предопределяет необходимость выбора металла с учетом термической обработки до и после сварки, достаточно плавных форм сварных соединений, повышенных норм контроля сварных соединений и самого металла.
...
Своеобразны условия эксплуатации, когда сварная конструкция Имеет большую накопленную энергию из-за того, что под нагрузкой Находятся значительные участки металла с высоким уровнем действующих напряжений. Это в первую очередь газопроводы большого диаметра, крупные сосуды со сжатым газом, сосуды из высокопрочных сталей,
...
в которых накопленная энергия упругих деформаций весьма значительна, а также другие сварные конструкции, разрушение которых сопровождается значительным освобождением энергии.
...
Большие сжимающие нагрузки требуют таких форм сварных конструкций, которые обеспечивают устойчивость. Тип сварных соединений в этом случае особенной роли не играет. На первый план выступают толщина применяемого металла и формы конструктивных элементов, которые должны обеспечить по возможности более высокие рабочие напряжения, близкие к пределу текучести металла. Сходные ситуации возникают при обеспечении требования жесткости.
...
Необходимость учета температурного фактора существенно зависит от металла. Типичными в этом отношении являются черные металлы. Если рассматривать прочность при различных температурах, не привлекая временной фактор продолжительного действия температуры, но иметь в виду возможную концентрацию напряжений в сварных элементах, то зависимость прочности от температуры схематично выразится (рис.2.3.1) двумя линиями: линией /, соответствующей прочности гладкого образца, и линией 2,
...
Прочности (криваяЗ). При этом прочность конструктивных элементов, 'Щсеющих концентрацию напряжений, выразится кривой
...
В соответствии с рис.2.3.1 различают три характерные температурные области работы конструкций: область / — низкотемпературную (которая в общем случае может простираться и в область положительных температур), область
...
в которой рассматривается жаропрочность металла. Область низких температур диктует свои требования в отношении ЙЫбора металла из-за возможности отрицательного проявления низко-Температурной хрупкости. В области низких климатических температур Щцо минус 60-80 "С) удается обеспечить достаточно хорошую работоспособность сварных конструкций на основе применения сталей с
...
криогенных температурах, как правило, необходимо использовать енециальные стали и цветные сплавы, а также соответствующие им ,|$гособы сварки.
...
Значительное влияние на выбор металла оказывает характер агрессивной среды [189]. Для ряда сред выбор соответствующего им металла является совершенно обязательным условием для создания работоспособной конструкции. Нередко необходима термообработка после сварки.
...
Стоимость изготовления сварной конструкции представляет собой один из главных факторов, который предопределяет выбор материала.
...
Наглядным примером в этом отношении является проблема хладостойкое™ сварных конструкций, изготавливаемых из обычных конструкционных сталей и эксплуатируемых в атмосферных условиях с температурами не ниже минус 60-70 "С. Эта конструкции довольно многочисленны — опоры линий электропередач, некоторые трубопроводы, мосты, строительная техника, транспортные конструкции, машины добывающей промышленности, работающие на открытом воздухе, и др. Многие из них работают при температурах ниже первой критической температуры хрупкости, когда не исключено внезапное разрушение с выходом конструкции из строя. Между тем существуют более дефицитные и дорогие марки сталей и технологии их производства, при которых хрупкие разрушения сварных конструкций при климатических низких температурах могут быть полностью исключены. Таким образом, проблема хладостойкое™ в определенной мере является не столько проблемой технической, сколько экономической. Значительное влияние фактор стоимости оказывает на сварные конструкции массового выпуска. Здесь проявляется возможность обеспечить существенную экономию средств за счет механизации и автоматизации производства, применения специальных приспособлений и транспортных средств, методов сварки, удобных для автоматизации, и т.д. Например, стоимость сложного по форме кузова автомобиля в десятки раз меньше, чем стоимость аналогичных конструкций при единичном способе их производства.
...
Экономический фактор влияет и в другом направлении. Более долговечные конструкции, если это не связано с их моральным старением, более выгодны. Именно более высокое качество сварных соединений в изделиях, для которых длительный ресурс их работы является одним из основных показателей, вызывает к жизни применение новых и специальных методов сварки, таких, как электроннолучевая, лазерная, диффузионная и другие.
...
Процесса выполняются в цеховых, а какие в монтажных условиях, зависит характер расчленения сварной конструкции, формы конструк-
...
зрушении, выносливости при переменных нагрузках, жаропрочности хладостойкости, коррозионной стойкости, удельной плотности и ряда Других свойств.
...
2. Способность образовывать высококачественные сварные соединения при использовании разных способов сварки. Данное свойство Часто называют свариваемостью, вкладывая в это понятие несколько |«зличное содержание в зависимости от трудностей, которые приходит-Ш преодолевать в каждом конкретном случае. При этом подчеркивают Л№бо равноценность сварных соединений с основным металлом по
...
ханическим и другим свойствам, либо возможность образовывать арные соединения без дефектов технологического происхождения, >)ййбо
...
Для большинства используемых в сварных конструкциях материалов характерно такое решение вопроса о сочетании основного и присадочного металлов, когда химический состав металла шва, хотя и отличается от основного, но не настолько сильно, чтобы эти металлы принадлежали к разным структурным классам. В отдельных случаях используют соединения, в которых шов существенно отличается от основного металла. Например, при сварке ряда среднелегированных сталей используют аустенитные электроды.
...
Реакция многих металлов высокой прочности на сварочный термический цикл такова, что околошовная зона становится слабым звеном сварного соединения. В ней происходит разупрочнение основного металла, заметное ухудшение вязких свойств, появление трещин в процессе сварки. Поэтому одним из главных свойств основного металла является его свариваемость.
...
Одно из основных назначений сварки — укрупнение листовых, стержневых и объемных элементов. Причины укрупнения довольно разнообразны, например невозможность получения проката, отливок и поковок достаточно больших размеров, невозможность термически обработать деталь большой протяженности. В последнем случае сварку выполняю! после термической обработки отдельных частей, и возможность использования такой технологии зависит от степени равноценности сварных соединений основному термически обработанному металлу.
...
С помощью сварки решают также проблему сочетания в одной детали различных по свойствам металлов. Это не только комбинированные детали, отдельные элементы которых получены различными технологическими способами, например ковкой или литьем, но и детали, состоящие из существенно различных по механическим свойствам элементов. Это также наплавленные детали, детали со специальными покрытиями и многие другие, объединяющие в себе различные свойства.
...
Использование сварки для тех или иных целей всегда должно сопровождаться ясным представлением о комплексе свойств сварного соединения, которые должны быть получены в результате сварки.
...
Так, связующие сварные соединения обеспечивают совместную работу отдельных элементов конструкции без существенных силовых нагрузок поперек шва. Поскольку по площади поперечного сечения сварное соединение составляет небольшую часть полного сечения детали, то зоны связующего соединения и шов могут иметь более низкую прочность, чем основной металл. Для них более важным является достаточная пластичность, чтобы не вызвать преждевременное
...
Роль связующего соединения выполняют также плоскости сопряжений в слоеных биметаллических деталях. Хотя перпендикулярно этим плоскостям или поверхностям могут действовать некоторые нагрузки, в большинстве своем они не являются расчетными, в первую очередь 'для этих мест важна пластичность и вязкость.
...
Для рабочего сварного соединения основной функцией является передача нагрузок. Поэтому требование равнопрочности становится Главным. Если сварное соединение уступает по прочности, то это может приводить к увеличению массы конструкции, недоиспользованию возможностей основного металла.
...
Выбор тех или иных методов сварки зависит от конкретных условий производства, наличия оборудования, экономических соображений, доступности мест сварки, возможности обеспечить те или иные свойства сварных соединений. Круг учитываемых при этом вопросов огромен; он относится к металловедению, металлофизике и металлургии сварки. В конечном итоге все указанные соображения относятся к учету свойств сварных соединений, которые они будут иметь в условиях Эксплуатации.
...
Выбор и разработка конкретной технологии всегда включает в себя некоторый компромисс между требуемыми свойствами и реальными ■возможностями их получения.
...
При производстве сварных конструкций широко применяют различные методы неразрушающего контроля, главным образом с целью Обнаружения разного вида несплошностей, которые являются одной из Основных причин понижения работоспособности сварных конструкций.
...
Как было показано в главе 1 (см. §1.3), технологические нормы Качества и эксплуатационные требования должны существовать параллельно, так как преследуют различные цели. Нередко конструктора удовлетворяют нормы качества, изложенные в заводских или отраслевых инструкциях, и поэтому дополнительные требования ими не указываются. Это не должно давать повода к объединению этих двух видов Документов. Нередко встречаются ситуации, когда эксплуатационные 1ребования оказываются выше технологических- Тогда необходимо Организационно-техническими мероприятиями повышать культуру Производства и контроля качества.
...
Существующие ГОСТ 22368-77 "Контроль неразрушающий. Классификация дефектности стыковых сварных швов по результатам Ультразвукового контроля" и ГОСТ 23055-78 "Контроль неразрушаю-
...
щий. Сварка металлов плавлением. Классификация сварных соединений по результатам радиографического контроля" имеют структуры классификации, приспособленные к особенностям указанных методов контроля и построенные в порядке возрастания уровня дефектности. Эти структуры, отвечающие технологическим требованиям, не могут быть приспособлены к эксплуатационным требованиям. Например, в один и тот же класс дефектности по ГОСТ 23055-78 включены дефекты диаметром 0,2 и 5,0 мм для различных толщин. Такие дефекты с позиций прочности могут представлять совершенно различную опасность для многих видов предельных состояний. Поэтому рекомендация о "целегооЯпячности одновременного использования двух расчетных моделей — технологической и эксплуатационной" [28] может быть использована только в том случае,если технологические и эксплуатационные требования совпадают структурно как по видам дефектов, так и по ступеням размеров дефектов. Такое вряд ли возможно, так как с помощью одного и того же процесса сварки выполняют одинаковые швы, работающие в разных условиях и при различных напряжениях. Эксплуатационные требования здесь будут различными, в то время как технологические окажутся одинаковыми. Достигнутый уровень науки о прочности таков, что он позволяет разработать процедуру определения предельных размеров дефектов, исходя из эксплуатационных требований. Рассчитывать на то, что эти требования можно будет расклассифицировать на группы и указывать каждый раз лишь класс дефектности, не следует, так как слишком велико число вариантов нагрузок и условий эксплуатации. Не следует также рассчитывать на то, что каждый раз дефектоскописты смогут давать исчерпывающую информацию о кривизнах несплошности по всей ее поверхности. Известно,что наибольшую опасность представляют участки несплошности, имеющие малый радиус кривизны (менее 0,2 мм). Эти участки равноценны трещине. Несплавления и непровары по характеру своего влияния также должны быть приравнены к трещине, а в некоторых случаях при хрупких разрушениях они даже более опасны.
...
Нередко при принятии решения, к какой категории дефектов отнести ту или иную несплошность, лица, несущие ответственность за качество выпускаемой продукции, в том числе и сами дефектоскописты, будут склонны рассматривать неясный дефект как трещину., Таким образом, одной из характерных особенностей сварных конструкций следует считать присутствие у них трещиноподобных несплощностей. Следует заметить, что в этом повинен не только процесс сварки, но и предшествующие ему процессы получения заготовок: литье, ковка, прокатка, термическая обработка, многие дефекты от которых также должны быть приравнены к трещиноподобным. В свете изложенного многие требования (как технологические, так и эксплуатационные), строго указывающие на необходимость полного отсутствия в конструк-
...
ции трещин, звучит наивно. Так как в качестве трещин могут выступать И другие виды дефектов, правильнее было бы указывать, что в конструкции не должны быть несплошности выше определенного размера, но при этом, естественно, необходимо ориентироваться на
...
Эксплуатационные требования, даже если они совпадают с техно-'логическими, диктуют совершенно иные объемы контроля. Контроль технологического процесса почти всегда может быть выборочным, по Объему незначительным и по точности определения размеров дефектов Нестрогим. Устранение выявленных при технологическом контроле 'дефектов, как справедливо подчеркнуто в [28], не имеет смысла, так как
...

Основы металлографии и пластической деформации стали
Оборудование для контактной сварки постоянным током
Справочник конструктора металлических конструкций
Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности
Сварка пластмасс ультразвуком
Основы сварочного дела
Газовая сварка и резка металлов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности