Разнообразные и многочисленные конструкции свар­ных сосудов, применяемых в современной промышленности, изго­товляют преимущественно из мягких углеродистых или слаболеги­рованных сталей. Эти стали обладают хорошей пластичностью и свариваемостью (газгольдеры, барабаны паровых котлов, храни­лища для жидких продуктов, химические реакторы, баллоны, крупные газовые и нефтяные трубы и др.). Расчет сварных сосудов, как правило, ограничивают условиями статической прочности или сопротивлением однократным ударным нагрузкам. Для оценки прочности крупных ответственных сварных сосудов в последние годы учитывают также характеристики хрупкой прочности (кри­тическая температура хрупкости, вязкость разрушения Кс) и др.

Во многих случаях сварные конструкции типа сосудов давления подвергаются в процессе эксплуатации циклически меняющимся нагрузкам, что требует особых оценок их эксплуатационной проч­ности и долговечности. Наиболее полные и надежные данные о ра­ботоспособности сварных сосудов могут быть получены путем ис­пытаний натурных конструкций или их моделей и элементов.

Ниже приведены результаты исследований циклической проч­ности сосудов, выполненных в ЦНИИТМАШе. Исследования ци­линдрических и сферических сосудов позволяют составить пред­ставление о характерных закономерностях в поведении сосудов над циклическими нагрузками [97, 183].

Цилиндрические сосуды. В задачу первого исследования вхо­дило сопоставление несущей способности сосудов при статической (однократной) и повторной (многократной) нагрузках внутренним пульсирующим давлением.

Исследованию подвергали тонкостенные сварные сосуды (рис. 122), геометрическая форма и напряженное состояние кото­рых характерны для широкого класса подобных конструкций. Как показали расчеты и экспериментальные данные, полученные тензометрированием, средняя часть оболочки удовлетворяет усло­вию — = 2. Головки образца выполнены с усилением шва и по

номинальным напряжениям имеют двукратный запас прочности в кольцевом и четырехкратный — в осевом направлениях по сравнению с тонкостенной частью сосуда.

Чтобы определить влияние различных факторов на несущую способность сосудов, было испытано четыре серии образцов (рис. 123 и табл. 54). При ручной электросварке применяли элек­троды УОНИ-13/55.

Каждую серию сосудов изготовляли из одного отрезка горяче­катаной трубы (сталь 20). Механические свойства (Рр — макси­мальное разрушающее избыточное давление; ар — разрушающие кольцевые напряжения при давлении Pv) определяли (табл. 55) испытанием образцов на одноосное растяжение и гидростатическим внутренним давлением (двухосное растяжение) гладкостенных со­судов, изготовленных из отрезка каждой трубы.

Для выявления рациональных методов повышения несущей спо­собности конструкции в условиях низкочастотной повторной на­грузки были проведены испытания образцов, подвергнутых терми­ческой обработке (отпуск при t = 600° С) после выполнения сва­рочных операций (образцы серии IVa). После отпуска средняя долговечность сосудов повысилась на 75% по сравнению с исход­ным состоянием (табл. 56). Разрушение было таким же, как и в случаях, рассмотренных выше, однако развитие усталостной трещины было несколько заторможено.

Одновременно были испытаны образцы серии IV6, подвергну­тые наклепу вибрирующим роликом в области заделки.

Рис. 125. Сосуды (рис. 123, в) после Рис. 126. Сосуды (рис. 123, г) после испытания

испытания гидростатическим (а) и пуль - гидростатическим (а) и пульсирующим (б) да в ле­гирующим (б) давлением нием

ьо и III — для кольцевого шва и надреза соответственно.

о

м ------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------- —--------------------------------------------------------

Рис. 127. Сферические сосуды, подвергавшиеся
испытаниям пульсирующим давлением
(ЦНИИТМАШ)

При малоцикловой нагрузке с ра­бочими напряжениями ниже ат терми­ческая обработка и поверхностный наклеп существенно повышают несу­щую способность конструкции.

Проведенные эксперименты пока­зывают, что статические испытания не выявляют возможных источников разрушения в процессе эксплуатации и не дают исчерпывающих сведений о работоспособности сосудов в усло­виях циклической нагрузки.

Сферические сосуды (рис. 127) изготовляли из листовой стали СтЗ (ав = 37 кгс/'мм2; о, — 17,5 кгс/мм2; б5 = 37% и ф = 70%) путем штам­повки заготовок на растяжном штампе и последующей сварки. Ручную сварку моделей производили электродами УОНИ-13. Часть сферических сосудов (5 шт.) испытывали в исходном после сварки состоянии и часть (5 шт.) после отпуска при t = = 650° С с выдержкой 4 ч. Сосуды испытывали при повторно-ста­тическом внутреннем давлении (вода) с частотой не выше 4 цикл/мин. Для сравнения были испытаны сосуды однократным статическим давлением до разрушения. Из полученных результа­тов испытаний (табл. 57) видно, что разрушающее статическое давление (ПО—120 кгс/см2) практически не зависит от термиче­ской обработки моделей Характер разрушения и вид изломов при статической нагрузке также не изменяются в связи с термической обработкой (изломы по горизонтальному кольцевому шву с незна­чительным остаточным увеличением диаметра 0,2—0,3%).

При пульсирующей нагрузке верхнее значение внутреннего давления повышалось ступенями по 10 кгс/см2 (начиная с 30) через каждые 1000 циклов Местом разрушения были горизон­тальные швы, но трещины оставались почти не раскрывшимися, тогда как при статической нагрузке трещины сильно раскрыва­лись.

За счет цикличности нагрузки несущая способность сосудов понизилась со 110—120 до 50—60 кгс/см2, т. е. примерно в 2 раза. Это следует учитывать при проектировании и расчете на прочность сварных резервуаров, работающих при переменных давлениях. Из табл. 57 следует также, что при пульсирующей нагрузке в отли­чие от статической термическая обработка моделей оказывает не­которое полезное влияние на их прочность и долговечность.