В течение длительного времени применение высокопрочных сталей для сварных сосудов давления ограничивалось в связи с технологическими трудностями, опасностями возникновения сварочных трещин, повышенной склонностью этих сталей к хруп­ким разрушениям и большой чувствительностью к концентрации напряжений. Последнее обстоятельство является особенно небла­гоприятным при циклических нагрузках сосудов.

Переход к сталям повышенной прочности для этих сосудов встречает также серьезные затруднения, базирующиеся на анализе эксплуатационных наблюдений [1, 661. Так, для барабанов паро­

вых котлов статистическими обработками эксплуатационных по­вреждений было установлено, что долговечность сосудов опреде­ляется уровнем действующих напряжений и мало зависит от уровня исходных прочностных характеристик (ов; 0О 2). Так, по много­численным наблюдениям за эксплуатацией котельных барабанов в ФРГ можно сделать заключение о том, что для обеспечения 20-летнего срока службы барабана в наименее благоприятных условиях необходимо принять уровень приведенных напряжений не более 12 кгс/мм2 независимо от характеристики статической прочности материала 1661.

Такое мнение нельзя считать справедливым, если принять во внимание неиспользованные еще возможности улучшения кон­струкционных форм, составов материалов и технологических про­цессов, а также повышения требований к качеству изготовления сосудов.

Ограничение уровня допускаемых напряжений для сварных сосудов независимо от уровня прочностных свойств применяемых сталей не является прогрессивным и при современных тенденциях увеличения мощности единичных энергетических блоков. В этих условиях повышение допускаемых напряжений является необхо­димым по условиям массовых и габаритных характеристик.

Особое значение при применении высокопрочных материалов для сварных сосудов давления имеют усталостные характеристики, зависящие как от конструктивно-технологического оформления наиболее напряженных узлов, так и от качества сварки.

Однако в последнее время были исследованы и предложены высокопрочные стали для сосудов, обладающие достаточно хоро­шей свариваемостью и высокой пластичностью. В этом отношении заслуживает внимания опыт японской промышленности, который освещен ниже на основе последних данных [253].

В Японии Ишикаваджима-Харима Компани разработана и предложена сталь НТ-80 с временным сопротивлением разрыву больше 80 кгс/мм2 (табл. 58).

Высокая прочность и удовлетворительная свариваемость этой стали достигнута без присадок никеля и ванадия. С увеличением температуры предварительного подогрева максимальная величина твердости сварного шва постепенно снижается и при t = 150° С составляет HV 320. При температурах подогрева t ^ 100° С сва­рочных трещин на указанной стали не наблюдалось.

Были проведены испытания на растяжение образцов из стали НТ-80, сваренных из полосы толщиной 22 мм с Х-образной раз­делкой. Использовали электрод типа Мп—Ni - Сг—Мо, соответ­ствующий марке ASTM AWS 110169 [5]. Испытания образцов пока­зали достаточно хорошие результаты независимо от положения шва йот удельной затраты теплоты (табл. 59).

Т а б л и и а 58

6, %

* Указано максимальное содержание.

Применительно к эксплуатации крупногабаритных сварных сосудов представляет интерес оценка опасности возникновения хрупкой трещины. В связи с этим были проведены испытания на растяжение широкой (600 мм) сварной пластины из указанной стали при двухосном растяжении. Эти испытания показали доста­точно хорошее сопротивление хрупкому разрушению (выше пре­дела текучести) при температурах до —40° С.

Испытания сварных пластин (толщиной 22 мм) на усталость при растяжении позволили получить данные, приведенные на рис. 128. Образцы сваривали при удельной затрате теплоты 35 000 Дж/см. Испытания на усталость проводили при частоте 670 цикл/мин. Были испытаны образцы из основного металла с прокатной окалиной 183], сварное соединение с поперечным швом без усиления [97 ], сварное соединение с шлифованием [66],

Рис. 126. Результаты испытаний на усталость при растяжении сварных пластин из стали НТ-80: 1 — основной металл; 2 — по­перечный шов без усиления; S — шов после шлифования; 4 — поперечный шов и допол­нительный валик; 5 — кресто­образные швы

сварное соединение с дополнительным мягким валиком1 [1], применяемым для уменьшения опасности хрупкого разрушения и сварное соединение с крестообразным швом [253 ]. Предел вынос­ливости соединений с усилением при базе 2 млн. циклов был опре­делен приблизительно в 15 кгс/мм2, а предел выносливости соеди­нений с мягким валиком — 16,5 кгс/мм2.

Таким образом, мягкий дополнительный валик не только не снизил сопротивления усталости, но даже несколько повысил его.

Предел выносливости даже в самом неблагоприятном случае (крестообразный шов без снятия усилений) оказался на уровне 8 кгс/мм2.

Были проведены также малоцикловые усталостные испытания (рис. 129) сварных пластин, выполненных с различной величиной

Рис. 130 Модель, сварного сферического
резервуара для гидровзрывных испытаний
1253]

углового коробления (W :400).

Испытания на переменное рас­тяжение вели при напряжениях 29 кгс/мм2 без предварительной нагрузки для выпрямления об­разцов или с предварительной однократной нагрузкой 43,5+

+ 29 кгс/мм2.

Как видно из рис. 129, с уве­личением углового коробления число циклов до разрушения снижается. Однако даже при столь значительном угловом смещении, как 10/400, соедине­ние выдерживало свыше 104 цик лов. Предварительное растяже­ние однократной нагрузкой не­сколько повышало долговечность образцов в связи с возникно­вением пластической деформации в зоне концентрации напряже­ний. Применение мягкого валика не оказало существенного влияния на сопротивление малоцикловой усталости. Часть образцов имела отклонения от точного размера (поперечное сме­щение) приблизительно на 3 мм. Для этих образцов было отмечено некоторое снижение числа циклов до разрушения

Описанные исследования были дополнены испытаниями сфе­рических моделей (0 1500 мм) сварного резервуара путем гидро­взрыва. Было изготовлено два резервуара, один из которых испы­тывали при температуре 0° С, а второй при — 30° С. Охлажда­ющими жидкостями были — в ^первом случае соленая вода, во втором хлорид кальция и этиловый спирт. Общий вид модели резер­вуара и результаты испытаний показаны на рис. 130 и табл. 60.

Рис. 131.'Сварной сосуд из высокопрочной стали, построенный в Японии (внутренний диа
метр 36 м, давление 8,5 кгс/см2)

^Исходя из приведенных выше результатов испытаний был сде­лан вывод, что сталь НТ-80 и ее сварные соединения при указан­ных условиях сварки имеют достаточно высокую прочность при эксплуатации в сосудах высокого давления. На этом основании авторами были сделаны практические рекомендации, которые реа­лизованы в Японии, где было построено свыше 100 сосудов высо­кого давления из стали НТ-80. Сосуды удовлетворительно работают в различных эксплуатационных условиях, включая низкие тем­пературы (ниже —30°) и переменные давления. На рис. 131 пока­зан один из таких сосудов, построенный в Японии для хране­ния газа (внутренний диаметр 36 м, давление газа 8,5 кгс/см2, толщина стенки 35 мм, число поддерживающих опор — 14). Расчетное номинальное напряжение (без учета концентрации) в данном сосуде составляет значительную величину:

= 22 кгс/мм2.