2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
ГЛАВА 1
АНАЛИЗ ОСНОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ С УЧЕТОМ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ И КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР. 10
1.1. Деформации и особенности формирования полей остаточных напряжений и механических свойств в сварных соединениях аустенитных сталей.............................................14
1.1.1 Методы сварочных напряжений и деформаций. . . 14
1.1.2 Величины и распределения остаточных напряжений.. . 18
1.1.3. Неоднородность механических свойств сварного соединения. 20
1.2. Особенности низкотемпературной деформации аустенитных сталей. 23
1.3. Особенности деформирования сварного соединения при наличии мягкой прослойки...........................................25
1 А. Характеристики трещиностойкости конструкционных материалов
при статическом нагружении.................................31
ГЛАВА 2
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ И КРИТЕРИЕВ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ. .......................... 35
2.1 Постановка задачи. ...... 35
2.2 Технология сварки и конструкция сварных образцов из
стали 08X18Н10Т............................................36
2.2.1 Конструкция сварных образцов. . . . . . 36
3
2.2.2 Технология сварки образцов, сварочные материалы, сварочное оборудование и режимы сварки.....................38
2.2.3 Технологический процесс сварки.....................40
2.3 Методика исследования кинетики полей остаточных напряжений. 41
2.4 Образцы и методика исследования пространственной механической неоднородности сварных соединений сталей 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т..................................................47
2.5. Методика низкотемпературных испытаний сварных плоских образцов стали 08Х18Н10Т для определения характеристик трещиностойкости зон соединений при статическом кратковременном нагружении. ...... 52
ГЛАВА 3
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ
УПРУГО ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ. . . 57
3.1. Голографические и рентгеноструктурные исследования остаточных напряжений в сварных соединениях. . . . . . 58
3.2. Исследование и анализ кинетики остаточных напряжений в сварных соединениях. . . . . . . . . .61
3.3. Анализ распределения полей упругопластических деформаций в сварном соединении с учетом кинетики остаточных напряжений. 65
ГЛАВА 4
АНАЛИЗ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧЕТОМ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ
НЕОДНОРОДНОСТИ И КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР. . . 70
4.1 Исследование пространственной механической неоднородности
сварных соединений аустенитных нержавеющих сталей. . .71
4.1.1. Исследование полей распределения микро-твердости. . 72
4
4.1.2. Статистический анализ распределения внутренних технологических дефектов. ....... 74
4.1.3. Анализ показателей физико-механической неоднородности металла сварных соединений.................................76
4.1.4. Анализ напряженно-деформированного состояния сварных соединений с учетом физико-механической неоднородности. 95
4.2. Исследование характеристик вязкости разрушения сварных соединений стали 08Х18Н10Т разных толщин при пониженных
температурах................................................101
4.2.1. Определение механических свойств сварных соединений. . 104
4.2.2 Определение критических значений коэффициентов интенсивности напряжений. . . . . . . .106
4.2.3 Определение критических раскрытий трещин. . . .114
ГЛАВА 5
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ. . . .123
5.1. Приближенная методика расчетной оценки упругопластического деформирования сварных соединений. . . . . .123
5.2. Уточненная оценка прочности сварных соединений. . . . 129
5.3. Исходные данные для расчетного обоснования статической прочности сварных элементов криогенного оборудования. 132
5.4. Расчет на статическую прочность сварных соединений
силовой оболочки криогенной трубы. . . . . .136
ВЫВОДЫ............................................................142
ЛИТЕРАТУРА
145
5
ВВЕДЕНИЕ
На современном этапе экономического и социального развития таких важных отраслей народного хозяйства, как энергетическое, химическое, транспортное, сельскохозяйственное, машиностроение а также ведущих отраслей новой техники в качестве основных выдвигаются следующие научно-технические задачи - создание новых машин и конструкций высоких рабочих параметров, снижение их материалоемкости, повышение прочности, ресурса, живучести и долговечности, использование новых конструкционных материалов и технологий, сварных соединений. Это требует установления функционального распределения технологических особенностей по объему сварных соединений и их кинетики в процессе эксплуатации. При этом существенное значение приобретают машины и конструкции, работающие в экстремальных условиях по уровню механических, тепловых, аэро- и гидродинамических, электромагнитных статических и повторных нагрузок, вызывающих в наиболее нагруженных зонах сварных несущих элементов оборудования упругопластических деформаций. Обеспечение безопасности сложных технических систем является одной из важнейших задач создания и эксплуатации народнохозяйственных объектов и конструкций. За последние десятилетия в результате развития тепловой и атомной энергетики, химической и аэрокосмической промышленности и других отраслей машиностроения как у нас в стране, так и за рубежом значительно увеличилось производство и применение сварных элементов конструкций и трубопроводов, сосудов давления имеющих большую протяженность сварных швов различной конфигурации. Использование в таких конструкциях новых материалов с широким применением сварки, технологических пластических деформаций, плакирования при соответствующих рабочих нагрузках и наличии объемных полей исходных остаточных напряжений создает возможность возникновения как технологических, так и эксплуатационных повреждений в опасных зонах.
Принципы безопасности и надежности с учетом критериев линейной и нелинейной механики деформирования и разрушения лежат в основе совре-
6
менных методов проектирования, особенно в атомной энергетике, авиационной и авиационно-космической, криогенной технике. Они основаны на допущении того, что в детали или сварном элементе конструкции могут присутствовать начальные технологические дефекты сварки типа трещин или трещины могут возникнуть на разных стадиях эксплуатации конструкции, и что эти дефекты могут инициировать разрушение конструкции в процессе работы. В связи с этим в механике деформирования и разрушения необходимо более широко учитывать влияние анизотропии свойств, кинетику полей остаточных напряжений и изменение напряженно-деформированных состояний и физико-механических свойств структурно неоднородных сварных соединений при различных видах деформирования.
Важно в расчетно-экеспериментальных исследованиях изучить поля остаточных напряжений и перераспределение локальных напряжений и деформаций с учетом неоднородности полей физико-механических свойств основного металла, металла швов и переходных зон сварного соединения. Методологические подходы и получение расчетных уравнений позволят определить количественную связь внешних нагрузок с уровнем остаточных исходных напряжений в неоднородных сварных соединениях, а также рассчитать результирующие поля деформаций в сварных соединения с учетом температуры.
Учитывая высокую стоимость, уникальность целого ряда машин и конструкций, а также результаты выполненных научных исследований можно перейти на новый этап проектирования и эксплуатации, допускающий безопасную работу конструкций с учетом комплекса факторов физикомеханической неоднородности их сварных соединений, кинетики остаточных напряжений и упругопластического деформирования. Таким образом, создаются возможности обоснования, уточненного анализа и значительного увеличения (до нескольких раз) ресурса конструкций и оборудования.
В связи с отсутствием точных аналитических решений для определения прочности сварных соединений элементов в трехмерной постановке с учетом
7
пространственной физико-механической неоднородности и кинетики исходных остаточных деформаций сварки, а также решений нелинейных краевых задач, преобладающими методами исследования на начальной стадии являются экспериментальные. Они направлены на разработку методов оценки прочности, несущей способности соответствующих сварных элементов конструкций не только по интегральным характеристикам свойств и прочности, но и по их экспериментально установленным локальным распределениям в объеме с учетом их кинетики в процессе упругого и упругопластического деформирования и наличия трещиноподобных дефектов. На второй стадии исследований развиваются численные решения и приближенные аналитические решения деформирования и разрушения с использованием полученных экспериментальных результатов. В конечном счете местные деформации и напряжения сводятся в основном к описанию формирования и размеров зон пластических деформаций, кривым распределения интенсивностей деформаций е\ и напряжений с* в зоне сварки, раскрытию трещин 8, к получению текущих значений J - интеграла плотности поверхностной энергии, коэффициентов интенсивности деформаций К/е и напряжений К[.
В результате, основные задачи исследования несущей способности сварных элементов конструкций и установок с учетом их технологической и механической неоднородности могут быть сформулированы следующим образом:
- развить модель кинетики полей остаточных напряжений при упругом и неупругом нагружении сварных соединений конструкционных сталей;
- разработать математическую модель распределения механических свойств и структурной неоднородности по объему сварных соединений;
- исследовать напряженно-деформированное состояние сварных соединений аустенитных нержавеющих сталей;
- дать приемлемое для инженерных расчетов решение по определению интенсивностей упругопластических деформаций в массиве соединения;
8
- оценить трещиностойкость зон сварных соединений в широкой области температур (от нормальных до криогенных) с учетом анизотропии свойств материала и остаточных напряжений в нем;
- на основе проведенных исследований и полученных решений разработать методологический подход к уточненному расчетно-экспериментальному обоснованию прочности и ресурса несущих конструкций.
Научная новизна работы состоит в расчетно-экспериментальном исследовании напряженно-деформированного состояния и параметров разрушения в объемах сварных соединений большой толщины с учетом функционального пространственного распределения физико-механической и технологической неоднородности. При этом предложены математическая модель учета распределения механических свойств и структурной анизотропии по объему сварных соединений, модель учета кинетики полей остаточных напряжений как функции номинальных нагружений исследуемых сварных элементов. А также определены параметры трещиностойкости зон сварных соединений больших толщин при криогенных температурах, предложена и развита методика оценки различных стадий упругопластического деформирования и разрушения.
Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что для сварных соединений, исследуемых конструкционных аустенитных нержавеющих сталей, широко используемых в ответственном оборудовании энергетического, аэрокосмического и химического машиностроения, получены расчетно-экспериментальные зависимости объемного распределения фи-зико-механичской неоднородности, кинетики начальных остаточных напряжений в процессе нагружения и характеристики трещиностойкости при криогенных температурах (до -196°С) для сварных соединений больших толщин (25 мм - 130 мм). На основе полученных результатов, была предложена приближенная методика расчетной оценки упругопластического деформирования и разрушения сварных соединений и даны методические ос-
9
новы уточненной оценки прочности и ресурса сварных элементов оборудования при наличии в них дефектов типа поверхностных трещин.
Результаты работы использованы при выборе и исследовании материалов и разработке принципиальной технологии сварки силовой оболочки аэродинамической криогенной установки с учетом температурно-силовых условий эксплуатации, габаритных размеров, особенностей конструкции и значительного количества заводских и монтажных сварных швов а также использованы при проектировании и расчетах прочности сварных элементов энергетического оборудования АЭС.
Большой вклад в развитие методов анализа поведения поврежденных трещинами сварных элементов конструкций и изучение соответствующих вопросов кинетики остаточных напряжений и их напряженно-деформированного состояния внесли ученые - С.В. Серенсен, Б.Е. Патон,
O.A. Бакши, H.A. Окерблом, В.А. Винокуров, В.Т. Трощенко, В.И.Труфяков,
Н.П.Алешин, В.И. Махненко, Г.С. Писаренко, Т.П. Карзов, H.A. Махутов, М.А.Даунис, Е.М. Морозов, B.C. Игнатьева Irwin G.R., K.Masubuchi, H. Те-rada, J.M. Bloom, K. Kussmaul, E. Yoshihisa, K. Sato, M. Toyoda и др..
Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 публикациях, доложены и обсуждены на двух Всесоюзных симпозиумах: “Повышение надежности и долговечности машин и сооружений”, (Кишинев -1991), “Остаточные напряжения - резерв прочности в машиностроении”, (Ростов-на-Дону - 1991) и Международной конференции “Structural Integrity and Lifetime of NPP Equipment”, - G.S. Pisarenko Institute for Problems of Strength of the National Ac. Sei. of Ukraine. Kiev, 2003.
Выполненные к этому времени работы в области статической прочности и механики разрушения являются исходной базой для поставленных новых задач деформирования и разрушения сварных соединений.
Работа выполнена в Институте машиноведения им. A.A. Благонравова РАН. Автор выражает самую искреннюю благодарность профессору, д.т.н., чл.- корр. РАН H.A. Махутову за научное руководство и консультации.
10
ГЛАВА 1
АНАЛИЗ ОСНОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ С УЧЕТОМ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ И КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР.
За последние десятилетия в результате развития тепловой и атомной энергетики, химической и аэрокосмической промышленности и других отраслей техники как у нас в стране, так и за рубежом значительно увеличилось производство и применение сварных элементов конструкций и трубопроводов, сосудов давления имеющих большую протяженность сварных швов различной конфигурации, включая сварные зоны соединений патрубков разных диаметров к их корпусам. При этом значительно расширился диапазон условий эксплуатации по температурам нагружения, параметрам рабочей среды, характеристикам приложенной нагрузки, а также возросли абсолютные размеры сосудов, и усложнилась их конструктивная форма [1-9].
На рис. 1.1 приведена схема первого и второго контура реакторной установки АЭС с ВВЭР-1000, показывающая наличие в ней рассматриваемых сварных сосудов и приваренных трубопроводов. На рис. 1.2 и рис. 1.3 даны схемы реактора и парогенератора АЭС, показывающие сварные соединения патрубков с цилиндрическими оболочками корпусов и сварные швы самих корпусов. На рис. 1.4 приведена схема сварного соединения фланца с корпусом коллектора. Поскольку одной из основных технологических операций, используемых, при изготовлении крупноразмерных сосудов является сварка, на рис. 1.5 также показаны элементы сварной оболочки криогенной аэродинамической трубы.
Рис. 1.1 Схема первого и второго контуров реакторной установки с ВВЭР - 1000: 1-реактор; 2-компенсатор объема; 3- емкость аварийного охлаждения; 4- запорная задвижка; 5- главный циркуляционный насос; 6- парогенератор; 7- турбогенератор.
Рис. 1.2 Реактор АЭС: 1-корпус; 2- входные патрубки; 3-выходные патрубки; 4- штанги механизма скафандра; 5- крышка; 6 перезагрузоч-ная машина; 7- теплоизоляция; 8- шпилька; 9- активная зона; 10- корпус шахты.
12
Горячий" коллектор
Трубный пучок 11000 труб 16x1,6
"Холодный" коллектор
Коллектор аварийной раздачи питательной воды
Вход питательной воды____________
Погруженный дырчатый лист
йлход теплоносителя
уровень воды в парогенераторе
Рис.1.3 Парогенератор АЭС
корпус коллектора
сварной шов >У^"^^».фланец
Рис. 1.4 Типичная схема сварного соединения фланца с корпусом коллектора.
13
(а)
Рис. 1.5 Элементы силовой оболочки азродинамической установки: (а)- 1- Колено №1,2- обратный канал; (б)- компрессорный отсек; (в)- колено №2.
Увеличение толщин стенок вызывает необходимость более точного анализа прочности их сварных соединений с учетом объемной анизотропии физико-механических свойств и наличия в них дефектов типа трещин. Поэтому исследование прочности, ресурса и безотказности работы сварных элементов соответствующих конструкций приобретают первостепенное значение для безопасной эксплуатации. Эти факторы оказывают существенное влияние на предельные характеристики разрушения, на возможность выхода из строя агрегата большой единичной мощности, что связано со значительным экономическим ущербом.
Анализ механики деформирования и разрушения сварных соединений, закономерностей изменения их прочностных и пластических характеристик показывает, что для сварных соединений аустенитных нержавеющих сталей необходим учет значительной структурной и физической неоднородности и нестабильности свойств как в локальных, так и интегральных объемах [10-13].
1.1 Деформации и особенности формирования полей остаточных напряжений и механических свойств в сварных соединениях аустенитных сталей.
1.1.1 Методы определения сварочных напряжений и деформаций.
Напряжения при сварке являются следствием термоупругих и термопластических деформаций материала и связаны с ними следующими зависимостями [14].
- Київ+380960830922