В современной химической промышленности все шире приме­няются цилиндрические сосуды высокого давления. Остаточные сварочные напряжения в кольцевых швах таких сосудов достигают значительных величин и представляют большую опасность для конструкции, поэтому вопросу снижения таких напряжений при из­готовлении сосудов следует уделить особое внимание. Существует несколько путей решения задачи, одним из которых является опрес­совка сосудов внутренним давлением. Она отличается технологиче­ской простотой и имеет ряд существенных преимуществ перед дру­гими способами. Однако снижение остаточных напряжений таким п /тем предполагает пластическое деформирование всей конструкции в целом или отдельных ее элементов, что в определенных условиях может отрицательно сказаться на работоспособности конструкции в процессе эксплуатации.

В настоящей статье установлены и экспериментально подтвержде­ны расчетные зависимости для определения величин давления опрес­совки и предела текучести материала швов, соблюдение которых обеспечивает полное (в среднем по толщине стенки) снятие остаточ­ных напряжений в кольцевых швах, не вводя основной металл кон­струкции в пластическое состояние, т. е. практически сводит до ми­нимума нежелательные последствия опрессовки.

Как известно [1], среднее значение приведенного напряжения в стенке цилиндрической части сосуда при нагружении его давлени­ем опрессовки в упругой стадии деформирования по теории Губера — Мизеса — Генки равно

т(ср) Jnp

/3 Р0пргЯ

, (1)

Л2 — г2 ' '

гДе Ропр — внутреннее давление опрессовки; R, г — наружный и внутренний радиусы сосуда.

Для полного снятия остаточных напряжений необходимо, чтобы в нагруженном состоянии среднее по толщине стенки значение на­пряжения в шве было той же величины.

В случае, если материал шва идеально упругопластический, то

напряжения в шве не превышают сттш. Подставляя оТш в выражение

(1) и разрешая выражение (1) относительно р0пр> получаем

°ТШ (Р2 ~ 1) ,0%

Ропр “ 7Ц ’ {г)

где р — коэффициент толстостенности, определяемый отношением В/г.

Для того чтобы основной металл работал в упругой стадии де­формирования, напряжение на внутренней стенке сосуда (как наи­более нагруженной) не должно превышать стт0. Следовательно, максимальная величина давления опрессовки составит

0то (Р2 /qx

Ажр - уз ря • ( }

При сравнении формул (2) и (3) видно, что для полного снятия остаточных напряжений в кольцевом шве, изготовленном из идеально упругопластического материала, необходимо, чтобы соблюдалось не­равенство

(Т__

^тш ■

р •

Однако, когда материал шва деформационно упрочняемый, величина Опр)) неизвестна. Соответствующая такому напряжению относительная деформация материала шва Єдрш может быть опре­делена следующей зависимостью:

г - R

епрш = 2(1 | р, ) (/? г) ^ ^(®<ш Ёгш)2 4- (Єгш Ё2Ш)2 -}- (вгщ Є2Ш)2,

11 г

(4)

где р, п — коэффициент поперечной деформации для пластической стадии деформирования материала шва, равен 0,5; Є(Ш, єгщ, є2Ш — относительные кольцевая, радиальная и осевая деформации матери­ала шва.

Поскольку при опрессовке напряжения в шве по всей толщине стенки незначительно превышают Сттш, то при расчетах можно ис­пользовать средние величины деформации по толщине стенки. Откло­нения напряжений от средних величин, максимальные на внутрен­ней и наружной поверхностях шва, практически не влияют на ре­зультаты расчета.

Входящее в выражение (4) е(ш включает в себя несколько состав­ляющих. Как известно, после сварки в металле шва возникают остаточные деформации растяжения. Соответствующие им оста­точные напряжения приводят к возникновению остаточных деформа­ций сжатия в прилегающих ко шву зонах. В процессе нагружения сосуда внутренним давлением при достижении в металле шва пре­дела текучести наличие сжатых зон рядом со швом приводит к уско­ренному их деформированию. Поэтому общую кольцевую дефор­мацию шва под нагрузкой можно рассматривать состоящей из трех со­ставляющих : действия внутреннего давления (соответствует коль­цевой деформации основного металла); остаточных напряжений в шве; преимущественного деформирования шва, вследствие наличия рядом расположенных зон сжатия.

Относительная радиальная деформация в шве складывается из составляющей от действия остаточных напряжений в шве и состав-

dU гт

ляющеи, которая определяется выражением-^-, где и —увеличение

радиуса обечайки по шву.

После изготовления сосуда остаточные напряжения в кольцевых швах близки к атш, поэтому материал шва при нагружении сосудов внутренним давлением деформируется пластически. Следовательно, осевые относительные деформации в шве могут быть определены за­висимостью

(ОСТ)

(ост)

(Sfiu ~f" ®гш)і

= є

+ є(,°шст) + є:

где Є(шТ), ЄгшТ)і 4шТ> — остаточные относительные кольцевая, ради­

Д-Р R — r

(ост) ^2Ш

6

+

(Л-г)2

альная и осевая деформации в шве. Тогда, принимая [3] о*ш'т) = отш; аішТ) = О, (Р — г)2

Р —г R — r

и определяя ширину шва Ъ зависимостью Ь = % (R — г) (здесь % — относительная ширина шва), получаем окончательные выраже­ния для величин 8<ш, егш И 82Ш [1, 2, 4, 5]

атшХУЯ2— г2 712(1 — р,2)

1

рг*

1 — 2jx + (1 + [л)

+

+ (5) (5) (7)

Е Л2 — г2

4£р Л— р

@ТШ 1^0тш (6 , П ДО 5

+

(Л-7-)2

л- л2

Л —г

1

рг‘

1 — 2[1------ ^5- (1 + fx)

&ГГТІ —

Е Л2 — г2

Л-р

(Р — г)~ (Л-г)2

р —Г

1 +6

рг

Л—г 1 Л—г Д-р

8 _J_o /я (р~г)2 5 Р — г | Д- егш - £ °тш|о (д_г)3 з R_r - f - R_

V- -

атшХ }/Ж=^ У 12 (1 - ц2)

Р • Г*

(1 — 2(л)

4Яр

Е R2 — г?

°то (Р2~1) /3 р2 Р = , ц = 0,3, (іп = 0,5, получаем окончательное выражение ®опрш! которое достаточно хорошо аппроксимируется зависимостью

Подставляя в (4) значения е/ш, егш, егш и учитывая, что р =

Л

2 In f

(ср) Єопрш — ЪЕ ф _ ^

X

уГ + 1,69) <& + + 0,68) от0отшХ - 1 -

2 X2(f52 — 1) + 1,69о|ш. (8)

— — 2>92) ото°тш + 0,31а

Рис. і. Номограмма зависимости предела текучести основного материала от средней величины деформации в шве: 1 — Р = 1,1; В — 3 = 1,2; 3 — 0 = 1,3; 4 — 0 = 1,4; Я —■ Р = 1,5.

Изменяя величины <гт0, сттш и р в практически целесообразных и допустимых пределах и принимая Е = 2,1 • 105 МПа, а X = 0,5, построим номограммы зависимости ато от Єощіш (рис. 1), с помощью которых легко рассчитать давление опрессовки, обеспечивающее полное снятие остаточных сварочных напряжений в кольцевых швах.

Методику определения давления опрессовки проследим на чис­ленном примере. Пусть для сосуда высокого давления заданы пре­дел текучести основного металла стто = 520 МПа, предел текучести материала кольцевых швов От, = 364 МПа и коэффициент толсто - стенности сосуда р = 1,24. Определим величину давления опрессов­ки. Заметим, что расчет будет справедлив только в том случае, если

0тш ^ ® Данном случае это требование удовлетворяется.

Определим величину отношения _Ї2_) она равна 1,43.

°тш

Умножая 1,43 на атш = 300 МПа и От, = 400 МПа (ближайшие к 364 МПа большее и меньшее значения сттш), получаем Стто = = 428,6 МПа и о$ = 571,4 МПа.

На номограмме значение а$ = 428,6 МПа отложим на линии, соответствующей отт — 300 МПа и р = 1,24 (точка А), а 0то = = 571,4 МПа — Отш = 400 МПа и |3 = 1,24 (точка В). Абсцисса точки пересечения отрезка АВ с ординатой стто = 520 МПа определит искомую величину Еспр^ш.

По диаграмме растяжения материала шва а = / (е) найдем вели­чину напряжения a^npV, соответствующую е^ш. Тогда давление

I 60"

Рис. 2. Общий вид исследуемых образцов.

а(ср) (02 _ опрш 'Н I

опрессовки можно определить по формуле

(9)

/зр

Р опр —

Напомним, что номограммы построены для постоянного значения относительной ширины шва % = 0,5. С изменением % будет незна­чительно изменяться и величина Так, при возрастании X до

0,8 или уменьшении его до 0,2 величина еопр ш изменяется в пределах sfc6 %.

Методика расчета давлений опрессовки была проверена во время лабораторных испытаний цилиндрических полых образцов из низко - и среднелегированной стали с кольцевыми швами, сваренными в V - образную разделку электродами типа Э42А-Ф марки У ОНИ 13/45 (рис. 2, п. 1) и электродами типа Э70-Ф марок АНП-1 и АНП-2 (рис. 2, п. 2). Механические характеристики основного металла и ме­талла швов приведены в табл. 1.

ного металла ст™ <;

Из сравнения пределов текучести материалов следует, что условие полного снятия остаточных напряжений при упругой работе основ­

выполняется только для швов,, сваренных

электродами типа Э42А-Ф марки УОНИ 13/45.

Опрессовке с целью снятия остаточных напряжений было под­вергнуто десять швов (семь — мягких и три — равнопрочных). На рис. 3, а показано распределение кольцевых остаточных напряжений

Таблица і. Механические свойства сварных соединений Металл шна Основной металл Сталь УОНИ 13/45 АНП <jb, МПа от, МПа оВ1 МПа от, МПа сгт, МПа от, МПа Низколегированная 650 460 510 360 990 840 Среднелегированная 980 660 570 410 880 760

Таблица 2. Расчетные и экспериментальные значения остаточных напряжений в мягких швах после опрессовки Номер шва Напряжение, МПа Разность на­пряжений, МПа Напряжение под давле­нием, МПа Отклонение, % Эксперимен­ тальное Расчетное 1 -32 —50 -18 406 -4,4 2 37 11 -26 345 —7,5 3 —72 -98 —26 508 -5,1 4 —66 -64 2,0 444 0,5 5 -60 -64 -4,0 444 -0,9 6 —6,5 8,0 14,5 432 3,3 7 —23 8,0 31,0 432 7,2

е(ш, МПа

в зоне равнопрочных и мягких швов после сварки, а на рис. 3, б — эпюры кольцевых напряжений в равнопрочных и мягких швах после опрессовки. Как видно (рис. 3), опрессовка не изменила кольцевых напряжений в равнопрочных и существенно снизила напряжения в мягких швах. В одном из мягких швов кольцевые остаточные напря­жения после опрессовки оказались выше, в другом — равны, а в ос­тальных ниже 0. Это объясняется тем, что в первом случае фактиче­ское давление опрессовки по техническим причинам оказалось ниже,, во втором — равно, а в третьем — выше расчетного.

ас1и1.мпа

Рис. 3. Распределение кольцевых остаточных напряжений в зоне равнопроч­ных (1) и мягких (2) швов после сварки и опрессовки.

Осевые остаточные напряжения после сварки в мягких и равно­прочных швах достигали 160 МПа и заметных изменений после опрес­совки не имели.

В двух швах кольцевые остаточные напряжения в зоне наплав­ленного металла оказались отрицательными, что имеет место при сварке среднелегированных сталей электродами близкого состава.

Для определения правильности выбора расчетной величины давления опрессовки сосудов с мягкими кольцевыми швами сравни­вались расчетные и экспериментальные значения приведенных оста­точных напряжений в мягких швах после опрессовки образцов (табл. 2). Максимальные отклонения напряжений не превысили 7,5 %.

Таким образом, приведенная методика позволяет определить давление опрессовки сосуда с мягкими кольцевыми швами, если из­вестны пределы текучести материала шва и основного металла и ко­эффициент толстостенности цилиндрической части сосуда. Расчет

справедлив, если соблюдается соотношение сттш ^ ^то.

При опрессовке сосудов расчетным давлением в кольцевых швах обеспечивается полное снятие остаточных напряжений средних по толщине стенки.