Технические науки / 2.Механика

Д. т. н. А.И. Айнабеков, д. т. н. У.С. Сулейменов, Х.А. Абшенов

Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауезова, Казахстан

Распределение остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях конструкций резервуаров

Для сварных цилиндрических резервуаров критическим видом отказа, приводящим к разрушению является разрушение сварных соединений. Характер напряженно-деформированного состояния сварных соединений во многом определяется остаточными сварочными напряжениями, которые зависят от материала конструкций, условий нагружения, конструктивных особенностей соединения и характера сварки.

В связи с этим в работе обсуждаются методы проведения испытаний образцов с целью определения остаточных напряжений в сварном стыке и их результаты.

Экспериментальные исследования проводились на образцах двух типов: А – образцы с сварным швом, вдоль действия растягивающего усилия, Б – образцы с сварным швом, поперек действия растягивающего усилия.

Образцы изготовлены из сталей ВСт3сп5 и 09Г2С. Толщина образцов принята равной 10-16мм, что соответствует толщинам рекомендуемым для рулонирования заготовок, применяемой в резервуаростроении. Заготовки для образцов вырезались из листа стали поперек направления прокатки. Схемы образцов и их геометрические размеры представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Геометрические размеры образцов

Химический состав, испытуемых сталей представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав сталей исследуемых образцов

Марки стали	Данные из источников	C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	S	P	As
ВСт3сп5	ГОСТ 380-71	0,14-0,22	0,12-0,30	0,40-0,65	0,30	0,30	0,30	0,05	0,04	0,08
	Микро-анализ	0,14	0,30	0,62	0,26	0,24	0,28	0,038	0,015	-
09Г2С	ГОСТ 19281-89	<0,12	0,5… 0,8	1,3… 1,7	<0,30	<0,30	<0,30	<0,04	<0,035	-
	Микро-анализ	0,11	0,62	1,32	0,13	0,10	0,08	0,03	-	-

Выбор указанных сталей обусловлен достаточно широким использованиям их в резервуарных конструкциях, а также значительным различием механических свойств, что позволило дать оценку остаточным сварочным напряжениям в зависимости от прочностных характеристик стали. Сварка образцов из стали ВСт3сп5 производилась электродами УОНИ – 13/45, образцов из стали 09Г2С – электродами УОНИ – 13/55.

Режим сварки: сварочный ток 170-200А, напряжение 25-26В.

Всего было изготовлено и испытано 24 образца по каждой из испытуемых сталей.

Исследование напряженного состояния образцов всех типов производилось методами тензометрии [1].

Для определения остаточных напряжении использовался метод сечений, согласно которому образец с наклеенными тензорезисторами разрезался на темплеты. При разрезке происходила разгрузка локальной зоны металла и определялась осредненная на базе разрезки деформация. База разрезки принята равной 6-10мм. Разрезку производили на фрезерном станке.

В исследованиях использованы тензодатчики на фольговой основе базой 5мм, которые наклейвались клеем 192Т не требующим термообработки. На рисунке 2 показаны образцы, подготовленные к испытаниям.

Рисунок 2 – Общий вид моделей подготовленные к испытаниям

Измерение деформаций производилась автоматическим измерителем деформации АИД-4М в комплекте с переключателем АП-1. Средние значения деформации определялись по двум тензорезистра, расположенным симметрично на противоположных сторонах образца. Отчеты с тензодатчиков снимались до и после разрезки, и по разнице отсчетов определялась величина деформации. Значения остаточных напряжений определялись из следующего выражения

, (1)

где, и - относительные деформации в точках разрезки, – расстояние от сечения разрезки до исходного положения кромки образца со стороны разрезки; – глубина разрезки.

В работе так же исследовалось изменение исходного распределения остаточных напряжений в результате приложения статической нагрузки. Образцы нагружались до напряжений 0,5-1,0. Нагрузка изменялась от нуля до максимального значения, после чего на образцы наклеивались тензорезисторы и по представленной выше методике определялись остаточные напряжения в зоне сварного стыка.

Испытание проводилось по 5 уровням нагружения. На каждой ступени нагружения испытывались 2-3 образца. Результаты испытаний обрабатывались методами статистики из среднеквадратичных значений измерений, согласно рекомендаций [2].

Испытания образцов проводились на гидравлической разрывной машине ГРМ – 1А.

Исходное распределение остаточных напряжений в образцах из сталей ВСт3сп5 и 09Г2С и его изменение после приложения нагрузки представлено на рисунке 3.

Невысокий уровень остаточных напряжений в образцах из стали 09Г2С может быть объяснен условиями формирования остаточных напряжений в частном случае нагрева узкой полосы, когда в момент интенсивного формирования остаточных напряжений полоса оказывалась достаточно равномерно нагретой по ширине.

Нагружение сварных соединений приводит к снижению остаточных напряжений, которое зависит от уровня нагружения. В образцах из стали ВСт3сп5 снижение напряжений происходит более интенсивнее, чем в образцах из стали 09Г2С.

Как видно из рисунка 2, при нагрузках соответствующим напряжениям , в образцах из стали ВСт3сп5 снижение уровня остаточных напряжений составила 50%, а в образцах из стали 09Г2С – 35%. Наибольшее снижение остаточных напряжений наблюдается при нагружениях .

а – сталь ВСт3сп5;

б – сталь 09Г2С;

1,5 - после сварки; 2 - после нагружения 270 МПа; 3 - после нагружения 300 МПа; 4, 6 - после нагружения 400 МПа; 7 - после нагружения 550 МПа;

Рисунок 3 – Распределение остаточных напряжений в образцах с сварным швом, вдоль действия растягивающего усилия.

Следует указать, что хотя остаточные напряжения в образцах в процессе нагружения уменьшились, уровень остаточных напряжений в зоне сварного шва остается достаточно высоким.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ренский А.Б., Баранов Д.С., Тензометрирование строительных конструкции и материалов. – М.: Строииздат, 1977. – 239с.

2. ГОСТ Р 50779.-2004 Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 43с.