Работоспособность сварных соединений замкнутых профилей в диапазоне климатических температур

Металлические решетчатые конструкции из трубчатого профиля появились в прошлом столетии, но широкие возможности рационального использования трубчатых профилей, создание новых конструктивных форм, связаны с развитием электросварки, совершенствованием и ростом производства труб. Интенсивное развитие строительных трубчатых конструкций началось в послевоенный период. В Англии, Германии, Чехословакии, США, Италии, СССР выполнены каркасы промышленных и общественных зданий, радио и телевизионные опоры и мачты, башни дымовых труб, опоры линий электропередачи, водонапорные башни, подмости.

В СССР начало проектирования и строительства трубчатых башен и мачт связано с первой половиной 40-х годов, в это же время построено значительное число сооружений нефтяной промышленности. В 60-е годы широко применяются пространственные (структурные) конструкции покрытий из труб.

Трубчатые профили нашли применение в каркасах многоэтажных зданий. В качестве примеров можно привести запроектированное Казахским филиалом ЦНИИПСК 9-ти этажное здание автоматической телефонной станции в г. Алма-Ате, в котором несущая наружная пространственная оболочка образована пересекающимися под углом трубчатыми стержнями. Аналогичное конструктивное решение принято в проекте 150-ти этажного здания специального функционального назначения в г. Чикаго (США) [152].

В последние два-три года резко возросло строительство общественных малоэтажных зданий из трубчатых профилей.

В одноэтажных производственных зданиях распространены покрытия из прямоугольных гнутосварных профилей типа «Молодечно», 6 являющиеся наиболее экономичными конструкциями комплексной поставки.

Широко применяются трубчатые профили в каркасах промышленных зданий и сооружений в нефтегазоносных районах Сибири, где используются бывшие в употреблении трубы.

В странах Западной Европы (Франция, Германия) за последние годы построено несколько металлических автодорожных мостов из трубчатых элементов.

Целесообразность трубчатых профилей (круглых и прямоугольных) связана с рядом факторов, основными из которых являются следующие: о повышенное значение радиуса инерции, безразмерная величина которого г = I служит критерием выгодности профилей для сжатых элементов. Тонкостенные трубы обладают наибольшим значением г среди прокатных профилейо обтекаемость формы поверхности круглых элементов снижает на 30ч-40% аэродинамический коэффициент, что обусловливает широкое применение их в сооружениях испытывающих воздействие аэродинамических и гидродинамических нагрузоко значительное снижение коэффициента слитности сечения, отношение периметра к площади сечения, благодаря чему существенно сокращаются расходы по защите конструкций от коррозии. Последнему способствует отсутствие узких щелей, заборов и других очагов местной коррозииа трубчатые профили позволяют осуществлять простые конструктивные решения плоских и пространственных решетчатых сооружений — бесфасоночные сопряжения элементов сокращают расход металла. 7.

Трубчатые профили наиболее эффективны при использовании сталей повышенной и высокой прочности [99,100,101,154].

Анализ изготовления стропильных ферм показал, что трудоемкость таких операций как обработка, сборка и сварка трубчатой фермы меньше, чем типовой фермы из уголков, благодаря сокращению числа основных деталей, хотя обработка отдельных элементов (раскосов, стоек) сложнее из-за необходимости точной фигурной резки.

Эксплуатационная надежность стальных конструкций в климатических районах с низкими температурами в значительной степени определяется сварными соединениями, являющимися наиболее распространенным конструктивным элементом трубчатых соединений и, кроме того, составной частью узловых сопряжений.

Конструктивное оформление стыковых соединений трубчатых профилей весьма разнообразно. На рис. 1.1 приведены некоторые наиболее распространенные их типы. Все стыковые соединения могут быть разделены на три группы: соединения встык с прямым и косым резом (а, б, ж) — с различными накладками (в, г, д) — фланцевые (б, е, з). Отличным от указанных групп является соединение на крестовых фа-сонках, объединенных накладками на болтах (и).

Анализ конструктивного оформления стыковых соединений показывает, что наиболее простыми по исполнению и достаточно распространенными в практике строительства являются соединения встык и фланцевые (сварные и на болтах) (рис. 1.1, а, б, е). Характерная особенность этих соединений — наличие кольцевых сварных швов, которые выполняются с помощью односторонней сварки. Аналогичное конструктивное решение, с кольцевым односторонним сварным швом, имеет ряд других узлов конструкций из трубчатых профилей. Например, узлы сопряжения элементов стержневой системы покрытия типа «Кисловодск» с коннектором. 9 чатых стропильных фермах также выполняется односторонним кольцевым (криволинейным) сварным швом.

Рис. 1.2. Конструкция торца элементов структуры типа «Кисловодск» .

Работоспособность большого класса металлических конструкций (МК) из трубчатых профилей в значительной степени определяется несущей способностью узловых сопряжений, в том числе сварных соединений рассмотренного типа.

Строительные МК изготавливаются из малоуглеродистых и низколегированных сталей, обладающих высокой вязкостью и пластичностью. Эти свойства обеспечивают достаточную эксплуатационную надежность стальных конструкций под действием разнообразных статических и динамических нагрузок.

Однако, в отдельных случаях в растянутых элементах происходит так называемое хрупкое разрушение элементов, связанное с отсутствием заметных (видимых) пластических деформаций стали, возможностью снижения прочности элементов до весьма низкого уровня и, соответственно, с внезапностью разрушения.

Хрупкие разрушения происходят при одновременном воздействии ряда неблагоприятных факторов, среди которых основными являются:

10 скорость нагруженияо характер напряженного состояния, которое, в отдельных случаях, оказывает сковывающее влияние на развитие пластических деформаций материалао охрупчивание материала в результате технологических операций, сопровождающихся явлением наклепа, старения и т. п.- а наличие сварки, термодеформационный цикл которой и сопровождающие его процессы диффузии приводят к развитию существенной неоднородности механических свойств различных участков шва и околошовной зонынаряду с этим, возникающие при сварке остаточные напряжения усиливают сковывающее влияние на развитие пластических деформацийналичие низких отрицательных температур под воздействием которых малоуглеродистые и низколегированные стали значительно теряют свои пластические свойства и утрачивают способность сопротивляться хрупкому (квазихрупкому) разрушению.

Помимо указанных факторов, значительное влияние на характер разрушения оказывают масштабный фактор, свойства материала и ряд других.

В связи с тем, что среди факторов, вызывающих хрупкое (квазихрупкое) разрушение, доминирующим является снижение температуры, сопротивление элементов стальных конструкций хрупкому разрушению отождествляется зачастую с понятием их хладостойкости.

Сварные соединения, и в частности трубчатых профилей, также обладают перечисленными выше свойствами, способствующими хрупкому разрушению.

Анализ отказов стальных конструкций с хрупким разрушением их элементов при низких температурах, проведенный кафедрой металлических и деревянных конструкций НГАСУ, которой создана.

11 картотека более 350-ти типичных случаев хрупкого разрушения на 223-х объектах в районе Западной и Восточной Сибири [167], показал, что хрупкие (квазихрупкие) разрушения связаны с определенными типичными конструктивными формами. Последние характеризуются, как правило, наличием конструктивно-технологических решений, присутствующих и в сварных соединениях трубчатых профилей (не-провары, остаточные напряжения и т. п.).

В то же время методика расчета элементов стальных конструкций на прочность с учетом хрупкого разрушения, заложенная в СНиП П-23−81*, обладает рядом недочетов [24]. Существуют также методы ЦНИИПСК и НГАСУ по оценке хладостойкости элементов стальных конструкций, которые разработаны в развитие нормативного метода. В основе указанных методов — знание работы конкретной конструктивной формы.

Следует отметить, что сварные стыковые и фланцевые соединения трубчатых стержней не входят в число изученных конструктивных форм низкой хладостойкости. Кроме того, отмеченные выше методы расчета не отражают адекватно физический процесс хрупкого (квазихрупкого) разрушения присущий сварным конструкциям независимо от конкретного типа конструктивной формы.

Как отмечено выше, трубчатые профили широко применяются в высотных сооружениях: башнях, мачтах и опорах различного назначениякаркасах многоэтажных зданий. Конструкции этих сооружений испытывают динамическое воздействие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Сооружения различного назначения, построенные с применением трубчатых элементов, расположенные в сейсмических районах Восточной Сибири, Дальнего Востока, Сахалина также испытывают динамические, многократно-повторные воздействия инерционных сил.

Для перечисленных сооружений, а также для пролетных строений автодорожных мостов весьма актуальна проблема выносливости. И в этом случае лимитировать работоспособность конструкций будут также сварные соединения.

Об актуальности исследования сварных соединений и узлов трубчатых профилей свидетельствуют преждевременные отказы и разрушения таких конструкций. Например, башня РТПУ высотой 180 м в г. Уфе, вытяжная башня высотой 160 м в г. Черкассы, вытяжная башня высотой 106 м в г. Светлогорске и другие.

В настоящее время свыше 1 млн тонн МК высотных сооружений из трубчатых профилей в России и странах СНГ ждут ответа на вопрос о возможности дальнейшей эксплуатации. Проблема оценки остаточного ресурса для сооружений данного класса, в том числе и в зависимости от качества выполнения сварных соединений, работающих в различных температурных условиях, находится в начальной стадии развития и требует своего решения.

Таким образом, всё возрастающий объем применения трубчатых профилей в МК различного назначения, опыт эксплуатации трубчатых конструкций в суровых климатических условиях, характерных для значительной части территории России, относительная новизна конструктивной формы, несовершенство норм проектирования МК в области проверки хрупкой (квазихрупкой) прочности строительных стальных конструкций, отсутствие, практически, исследований малоцикловой прочности сварных соединений трубчатых профилей — обусловливают необходимость комплексных исследований работоспособности сварных соединений конструкций из трубчатых профилей при статическом и многократно-повторном (циклическом) нагруже-ниях в условиях изменения климатических температур с учетом конструктивно-технологических факторов изготовления.

Целью диссертационной работы является — разработка и экспериментальная проверка методов оценки работоспособности сварных соединений замкнутых профилей с учетом конструктивно-технологических параметров (факторов), отражающих реальный физический процесс разрушения при статическом и циклическом нагружениях.

В результате исследования должна быть получена методика оценки прочности сварных соединений при вязком, хрупком и квазихрупком разрушениях в широком диапазоне изменения климатических температур, учитывающая наличие допустимых дефектов (не-проваров) и позволяющая оценить работоспособность соединений в составе конструктивной системы.

Для достижения поставленной цели: а выполнен анализ существующих методов расчета сварных МК при статическом и малоцикловом нагружениях в условиях вязкого, хрупкого и квазихрупкого разрушенияо разработаны расчетные деформационные и энергетические критерии прочности сварных соединений трубчатых профилей, учитывающих реальный физический (двухстадийный) процесс разрушения и конструктивно-технологические факторы при статическом и малоцикловом нагруженияхо проведены экспериментальные исследования сварных соединений при положительной (+20 °С) и отрицательной (до -75 °С) температурах при статическом и малоцикловом нагруженияхразработана методика автоматизированного управления проведением эксперимента при исследовании малоцикловой прочности опытных образцов в широком диапазоне изменения температур (+20.-75) °Собщая методика включает частные методики длитель.

14 ного охлаждения и контроля за размерами развивающейся несквозной визуально недоступной трещины в кольцевом швепроцессы измерения и управления исполнительными устройствами построены на основе разработанных математических моделей и алгоритмов программно реализованных на ПЭВМа выполнен расчетно-теоретический анализ напряженно-деформированного состояния опытных образцов сварных соединений в упругой и упругопластической стадиях работы материалао проведен расчетный анализ остаточных сварочных напряжений (деформаций) опытных образцова разработана методика оценки остаточного ресурса сварных соединений с учетом конструктивно-технологических факторово разработаны практические предложения по инженерному методу расчета сварных соединений, в том числе с учетом потенциальной энергии упругой деформации (ПЭУД) конструктивной системы.

Научную новизну работы составляют: научно обоснованные деформационные и энергетические критерии прочности сварных соединений с учетом конструктивно-технологических фактороврезультаты экспериментальных исследований сварных стыковых и фланцевых соединений трубчатых профилей с фиксированным непроваром при статическом и малоцикловом нагружениях в широком диапазоне изменения климатических температура методика автоматизированного управления экспериментальными исследованиями малоцикловой прочности (выносливости), включающая в себя методику длительного охлаждения опытных образцов и контроль за размерами развивающейся несквозной визуально недоступной трещины в кольцевом шве;

15 о результаты численного анализа НДС стыковых и фланцевых соединений опытных образцов с непроваром сварного шва и сравнительный анализ методов вычисления коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в упругой и упругопластической стадиях работы материаларезультаты численного анализа остаточных сварочных напряжений (деформаций) стыковых и фланцевых соединений с непроваромпрактическая методика расчета сварных соединений на основе деформационных и энергетических критериев двухстадийного разрушения в широком диапазоне изменения климатических температур с учетом влияния запаса ПЭУД системы на развитие разрушениядеформационные характеристики малоцикловой усталости сварных соединений трубчатых профилей.

Практическая значимость работы: о разработана методика расчета сварных соединений на основе деформационных и энергетических критериев с учетом конструктивно-технологических факторов в широком диапазоне эксплуатационных температур на статическую прочностьо обосновано экономичное выполнение сварных стыковых и фланцевых соединений элементов трубчатого профиля без подкладного кольца с кольцевым непроваром в пределах допустимого нормами на изготовлениепредложен практический метод расчета сварных соединений на основе деформационных и энергетических критериев, учитывающий двухстадийность процесса разрушения и влияние ПЭУД конструктивной системы на работоспособность соединений;

16 о разработана методика оценки прочности и остаточного ресурса эксплуатируемых стальных трубчатых конструкций со сварными соединениями.

На защиту выносятся: о результаты комплексного исследования работоспособности сварных стыковых и фланцевых соединений элементов трубчатого профиля с учетом конструктивно-технологических факторов в широком диапазоне изменения климатических температур (от +20 до -75 °С) при статическом и циклическом нагруженияхрезультаты расчетно-теоретического анализа НДС в упругой и упругопластической стадиях работы стыковых и фланцевых соединений с внутренним непроваром сварного кольцевого шварезультаты расчетно-теоретического анализа характера распределения остаточных сварочных напряженийпрактическая методика расчета сварных соединений трубчатого профиля на основе деформационных и энергетических критериев двухстадийного разрушения в диапазоне изменения эксплуатационных температур с учетом влияния ПЭУД системы на развитие разрушенияо деформационные характеристики малоцикловой усталости сварных соединений трубчатого профиля.

Результаты работы внедрены: о институтом ЦНИИПроектстальконструкция им. Мельникова (Москва) в практику проектирования высотных сооружений (антенно-мачтовых, опор связи и т. п.) — о институтом СибПроектстальконструкция (г.Новокузнецк) в практику проектирования стальных конструкций из трубчатых профилей;

17 о проектным институтом АОО «Новосибирский Промстройпроект» в практику проектирования опор для осветительных вышек, электроснабжения, вытяжных башен и др.- о новосибирским заводом-изготовителем металлоконструкций «МЕ-ТАКОН» при изготовлении стальных конструкций из труб (опоры ЛЭП, осветительные вышки, вытяжные башни и т. п.).

Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации подтверждаются комплексным характером работы, включающей: теоретические исследования, численный анализ методом конечных элементов с использованием ЭВМ, экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях и натурных узлах.

Апробация работы. Основные результаты исследований и материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

П-ом Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1985 г.);

YI-ой Всесоюзной конференции «Экспериментальные исследования инженерных сооружений» (Новополоцк, 1986 г.) — о Всесоюзном научно-техническом совещании «Экспериментальные исследования и испытания строительных металлоконструкций» (Львов, 1987 г.) — о 1-ой Всесоюзной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов» (Юрмала, 1987 г.) — а YII-ой Всесоюзной конференции «Экспериментальные исследования инженерных сооружений» (Сумы, 1991 г.);

International Conference «Welded structures», The E.O.Paton Electric Welding Institute (Kiev, Ukraine, 1995);

18 Международной конференции «Металлостроительство-96» (Донецк-Макеевка, 1996 г.) — о, У1-ой Украинской научно-технической конференции «Металлические конструкции» (Николаев, 1996 г.) — а Международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных и пластмассовых конструкций» (Самара, 1996 г.) — о Юбилейной научно-технической конференции МИИТа (Москва, 1996 г.) — а Научно-технической конференции Сибирского НИИ авиации «Проблемы прочности и усталостной долговечности материалов и конструкций» (Новосибирск, 1997 г.) — а П-ом международном конгрессе «Ресурсои энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» (Новосибирск, 1999 г.) — о ГУ-ой межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития жел.дор.транспорта, РГОТУПС (ВЗИИТ) (Москва, 1999 г.) — о Научно-технических конференциях СГУПС (НИИЖТ) и НГАСУ (НИСИ) (Новосибирск).

Публикации. Основное содержание диссертации освещено в 33-х печатных работах опубликованных в научных журналах, сборниках статей и материалах конференций, в том числе в центральной печати.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из девяти глав, в том числе введения, и заключения. Общий объем диссертации &-§-§-страниц, включая рисунков, Ъ таблиц,/^ наименований библиографических ссылок.

Во введении (глава 1) обозначена область применения стальных строительных конструкций из замкнутых (трубчатых) профилей, анализируются различные типы сварных соединений конструктивных элементов из круглых труб, приведены основные факторы, способствующие проявлению хрупкого (квазихрупкого) разрушения, отмечено, что сооружения из трубчатых профилей подвержены воздействию указанных факторов. Отмечено также, что определенный класс сооружений находится под воздействием динамических (знакопеременных) нагрузок. В заключении раздела изложены цели и задачи исследования.

Во 2-ой главе проведен анализ конструктивно-технологических факторов формирования сварных соединений трубчатых профилей и их влияния на качество стыковых и фланцевых узлов. Выявлены негативные последствия от применения подкладных колец. Изложены результаты исследования несущей способности натурных образцов сварных соединений унифицированных мачт высотой #=250 м. Показано отрицательное влияние дефектов на работоспособность соединений при низких отрицательных температурах. Сделан вывод о целесообразности выполнения кольцевых швов с регулируемым непроваром и необходимости комплексных исследований сварных соединений круглых труб.

Глава 3 посвящена анализу существующих методов расчетной оценки прочности стальных конструкций с концентраторами напряжений при статическом и малоцикловом нагружениях. Рассмотрены основы расчета при вязком, хрупком и квазихрупком разрушениях при статической нагрузке — классическая теория хрупкого (квазихрупкого) разрушения, методы линейной и нелинейной механики разрушения, деформационные и энергетические критерии разрушения, градиентная теория. Отмечены особенности расчета сварных соединений.

Показано, что существующие методы оценки работоспособности стыковых сварных соединений на статическую нагрузку не отражают физические особенности многоступенчатого процесса разрушения.

Рассмотрены также особенности расчетов прочности при малоцикловом нагружении.

В главе 4 изложены предлагаемые критерии прочности (деформационные и энергетические) сварных соединений с кольцевым швом при наличии фиксированного внутреннего непровара, вызывающего концентрацию напряжений, при статическом нагружении. Рассматриваемые деформационные и энергетические критерии отражают двух-стадийный (на макроуровне) характер разрушения соединений и позволяют учесть особенности НДС в зоне непровара, изменение свойств металла в диапазоне изменения эксплуатационных температур, наличие остаточных сварочных напряжений.

Долговечность сварных соединений в малоцикловой области предлагается оценивать по силовому и деформационным критериям с учетом двухстадийного характера работы металла.

В 5-ой главе отражены результаты экспериментальных исследований сварных соединений элементов трубчатого профиля. Изложены особенности методики статических и циклических испытаний, контроля за размерами развивающейся трещины, охлаждения образцов при длительном нагружении. Особенностью опытных образцов стыковых и фланцевых соединений было введение внутреннего регулируемого кольцевого непровара, величина которого определяла работоспособность сварных соединений при статическом и циклическом нагружениях.

По результатам проведенных экспериментов получены зависимости несущей способности соединений от уровня непровара, темпе.

21 ратуры испытания при статическом нагружении и кривые долговечности при циклическом (малоцикловом) нагружении.

Шестая глава посвящена расчетному анализу сварных соединений экспериментальных образцов. Напряженно-деформированное состояние стыковых узлов определялось методом конечных элементов (МКЭ). При этом учитывались упругая и упругопластическая стадии работы материала. В результате получены составляющие тензоров напряжений и деформаций на различных этапах работы узлов (до и после образования трещин), испытанных статической и циклической нагрузками. Проведен сравнительный анализ различных интерполяционных формул определения коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в пластической стадии работы сварных соединений.

На основе полученных результатов расчета проанализировано влияние напряженного состояния в области концентраторов опытных образцов на предельную деформативность материала. Для этой цели применены расчетные параметры, получившие наибольшее распространение в машиностроении. Достоверность расчетных параметров была подтверждена сравнением результатов расчетного анализа и результатов испытаний образцов с выточками различной конфигурации, проведенных П.Людвиком.

7-ая глава посвящена расчетному анализу остаточных сварочных напряжений опытных образцов сварных соединений и взаимодействию остаточных напряжений с напряжениями от внешней нагрузки.

В главе 8 проведена расчетная оценка прочности сварных соединений экспериментальных образцов с фиксированным кольцевым непроваром по предложенным, деформационным и энергетическим, критериям двухстадийного процесса разрушения. Анализируется.

22 применимость двухпараметрического критерия прочности к стыковым и фланцевым соединениям трубчатого профиля. Приведена расчетная оценка малоцикловой прочности опытных образцов на основе силового и деформационного критериев.

9-ая глава посвящена практическим предложениям по расчетной оценке статической и малоцикловой прочности сварных соединений трубчатых элементов с фиксированным внутренним кольцевым непроваром.

Для проектной практики рекомендуются деформационные критерии разрушения при статическом и циклическом нагружениях. Предлагается инженерный метод учета потенциальной энергии упругой деформации (ПЭУД) на работу конструктивной системы со сварными соединениями.

Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции и здания» Сибирского государственного университета путей сообщения (НИИЖТ), где под руководством и при непосредственном участии автора проведены экспериментальные и теоретические исследования по теме диссертации.

Работа выполнялась в рамках программы ЦНИИПСК им. Н. П. Мельникова «Испытание образцов мачтовых конструкций с учетом циклических воздействий и низких температур, применительно к строительству в условиях северо-восточных районов страны», а также программы 055.01.121 Госстроя СССР 1985;1990 г. г. и госбюджетной исследовательской темы кафедры «Строительные конструкции и здания» Сибирского государственного университета путей сообщения (НИИЖТ).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведен анализ конструктивно-технологических факторов, определяющих работоспособность сварных соединений трубчатого профиля: параметров подготовки трубчатых заготовок, качества сварки, дефектов сварного шва, остаточных сварочных напряжений, наличия или отсутствия подкладного кольца. Показано, что для труб малого диаметра (?><300 мм) применение в стыковых и фланцевых соединениях в качестве технологической подкладки стального кольца не только не гарантирует от непровара, но и, большей частью, бесполезно и увеличивает трудоемкость изготовления конструкции, значительно затрудняет контроль качества сварки физическими методами.

В то же время, варьируя параметры соединения возможно добиться равнопрочности соединения основному металлу без применения подкладного кольца.

Следует отметить, что нормы [172] разрешают применение сварных соединений без технологической подкладки с определенной величиной непровара в корне шва. Опыт эксплуатации стальных конструкций со стыковыми соединениями, выполненными с допустимым уровнем дефектности (непровара) доказал обоснованность применения данного конструктивно-технологического приема.

В связи с этим, было принято обоснованное решение отказаться от подкладного кольца с целью формирования сварного экономичного соединения трубчатых элементов с регулируемым внутренним кольцевым непроваром.

2. Предложены деформационные и энергетические критерии оценки работоспособности сварных соединений, стыковых и фланцевых, трубчатых профилей с внутренним кольцевым непроваром, являющимся конструктивным концентратором напряжений при стати.

262 ческом и циклическом нагружениях в широком диапазоне изменения климатических температур, учитывающие на макроуровне двухста-дийный характер разрушения.

Анализ расчетно-теоретических методов оценки вязких, хрупких и квазихрупких разрушений, классической теории хрупкого (квазихрупкого) разрушения, линейной и нелинейной механики разрушения, градиентной теории, деформационной и энергетической теорий, показал, что последние являются наиболее общими и наиболее приемлемыми для конструкционной, малоуглеродистой и низколегированной сталей.

Являясь универсальными, деформационные и энергетические критерии разрушения позволяют адекватно отразить закономерности процесса. Характер развития деформаций наиболее полно отражает изменение свойств металла, накопления повреждений, вид напряженного состояния. Значения предельных деформаций достаточно просто определяются испытаниями стандартных образцов.

3. Обоснованность предложенных критериев была подтверждена экспериментальными исследованиями опытных образцов сварных соединений с внутренним кольцевым непроваром при статическом на-гружении и в области малоцикловой прочности. Для проведения экспериментов были разработаны, применительно к образцам трубчатого профиля, методика контроля за развитием усталостной трещины, методика охлаждения образцов, установки для статических и циклических испытаний.

Контроль зарождения и развития трещин в визуально недоступных областях осуществлялся методом разности электрических потенциалов (РЭП). Учитывая особенности развития несквозной трещины, были использованы, в отличие от широко применяемых методов.

51,188], продольные и поперечные составляющие поля потенциалов, либо их комбинации в зоне вероятного распространения трещин.

Измерение технических параметров и управление системой охлаждения образцов, производительность подачи жидкого азота, осуществлялись измерительно-вычислительной системой микро-КАМАК-лаб.

По результатам циклических испытаний получены регрессионные уравнения для стыковых и фланцевых соединений в зависимости от величины непровара, температурного фактора и уровня максимальной нагрузки в цикле (при малоцикловом нагружении).

Проведенные испытания показали, что несущая способность сварных стыковых и фланцевых соединений, несмотря на наличие острого концентратора (внутреннего непровара сварного шва), достаточно высока. Падение несущей способности опытных образцов при значительном снижении температуры испытания (до -75 °С) в большей мере зафиксировано у стыковых соединений. Результаты фракто-графических исследований макроизломов опытных образцов показали, что все образцы имеют вязкий или квазихрупкий тип разрушения, доля вязкого излома при температуре -75 °С составляет 20.30%. По-тенциометрическими измерениями установлено, что долговечность по моменту зарождения трещин составляет 0,4.0,6 от общей долговечности.

4. Проведен расчетный анализ напряженно-деформированного состояния методом КЭ опытных образцов сварных соединений с внутренним кольцевым непроваром в упругой и упругопластической стадиях работы материала. В результате получены поля распределения составляющих тензора напряжений и деформаций с учетом температурных изменений свойств материала при исходной геометрии концентратора и с учетом образования трещин. Показано, что величи.

264 на пластической зоны у концентратора, даже при температуре -75 °С, то есть при охрупчивании материала, сопоставима с размерами сечения. Анализ напряженного состояния стыковых и фланцевых соединений показывает, что в стыковых соединениях непровар вызывает более резкую концентрацию напряжений.

По результатам расчетного анализа осуществлена оценка существующих методов определения коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в упругопластической стадии работы материала. Показано, что вычисления по формулам Г. Нейбера, Н. А. Махутова, А. П. Гусенкова и МКЭ практически совпадают при номинальных напряжениях <тн <(0,5.0,6)сгт.

Величина коэффициента концентрации деформаций при более высоком уровне номинальных напряжений сгн = (0,6.1,0)сгт, может о быть вычислена по соотношению К^ =а / К^, где К^ принимается равным Кот- = <тхг- / <тш-, или определена расчетным анализом по МКЭ.

Расчетный анализ результатов испытания образцов с выточками различной конфигурации, осуществленного П. Людвигом, показал, что коэффициент сковывания пластических деформаций достаточно точно отражает физический процесс разрушения стали.

5. Выполнен расчетный анализ значений и характера распределения остаточных сварочных напряжений (деформаций) в зоне шва опытных образцов и анализ совместного воздействия остаточных напряжений и внешней растягивающей нагрузки. Показано, что на характер распределения остаточных напряжений (деформаций) значительное влияние оказывает корсетный эффект от усадки сварного шва, вызывающий появление продольных изгибных напряжений. Величина тангенциальных сварочных напряжений достигает предела текучести.

265 стали. Концентрация напряжений в зоне непровара по своему характеру аналогична концентрации напряжений от внешней нагрузки. Уровень остаточных напряжений весьма чувствителен к продолжительности тепловложения, то есть к технологическому процессу сварки.

При совместном, температурном и силовом, воздействии происходит перераспределение напряженно-деформированного состояния с некоторым увеличением напряжений и значительным возрастанием деформаций. Однако, результирующее НДС от совместного воздействия температурного и силового факторов незначительно отличается от НДС силового воздействия. Последнее дает основание, при оценке работоспособности сварных соединений трубчатого профиля, не учитывать остаточные сварочные напряжения (деформации).

6. На основе материалов расчетного анализа НДС сварных соединений с кольцевым внутренним непроваром выполнена проверка работоспособности экспериментальных образцов с позиции предложенных деформационных и энергетических критериев двухстадийно-го разрушения при статическом нагружении.

Обработка результатов расчета опытных образцов, испытанных статической нагрузкой, показала, что интенсивность местной пластической деформации (удельной энергии формоизменения) на стадии зарождения и стадии развития трещин (разрушения) соответствует относительным предельным деформациям образования трещин и разрушения (развития трещин) с учетом сковывания (снижения) предельных пластических деформаций материала и изменения свойств стали при понижении температуры (соответственно, удельной энергии зарождения и развития трещин).

Разброс опытных значений относительно соответствующих расчетных параметров находится в пределах ~20%. Учитывая изменчи.

266 вость измеряемых параметров экспериментальных образцов (величина непровара, размеры углового шва, толщина стенки и др.), следует признать диапазон разброса вполне удовлетворительным.

7. Для экспериментальных образцов сварных соединений трубчатого профиля по результатам циклических испытаний, осуществлявшихся с постоянной амплитудой усилия (мягкий цикл), построены диаграммы малоцикловой долговечности, то есть зависимости числа циклов от амплитуды напряжений по номинальному сечению образцов в цикле растяжения при различных значениях исходного коэффициента концентрации аа на стадии зарождения трещин и стадии разрушения.

Учитывая, что в зонах концентрации напряжений материал работает в условиях, близких к жесткому нагружению, был использован также деформационный критерий, как наиболее общий и объективный. За величину критерия принято значение интенсивности деформаций, являющейся инвариантной к виду напряженного состояния. Связь между амплитудой интенсивности деформаций в цикле нагру-жения еа1 и числом циклов до образования трещин 7УЗ Т и до разрушения N у, диаграмма малоцикловой усталости получена в виде степенного уравнения, аналогичного уравнению Мэнсона-Коффина. Получены значения эмпирических коэффициентов формулы П. Пэриса, описывающей скорость роста усталостной трещины опытных образцов.

Предложенные уравнения, долговечности ~ т) — до образования трещин и П. Пэриса — роста усталостных трещин, применимы для стыковых и фланцевых сварных соединений с внутренним кольцевым непроваром независимо от диаметра стыкуемых профилей,.

267 так как выражены в инвариантных к напряженному состоянию параметрах.

8. Разработаны практические предложения по выполнению экономичных сварных соединений с определенным уровнем несплавления (непровара) и их расчетной оценке на стадии проектирования и проведения технической экспертизы эксплуатируемых трубчатых конструкций при статическом и малоцикловом нагружениях.

Проверка прочности растянутых элементов, содержащих сварные экономичные соединения, по условию вязкого разрушения (стн <Яуус) дополняется деформационной (энергетической) проверкой трещинообразования.

Предложено оценивать долговечность соединений при случайном процессе нагружения с применением гипотезы линейного накопления повреждений и схематизацией тензограммы номинальных напряжений по методу максимумов.