litceysel.ru
добавить свой файл
1
Оценка полей остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков трубопроводов



Родионов А.К., Голиков Н.И.

Якутск, Россия


В проведенных экспериментальных исследованиях распределения кольцевых и осевых остаточных напряжений стыков труб, используемых при строительстве магистральных трубопроводов показано, что на внутренней поверхности труб, в зоне корневого шва, наблюдается высокий уровень растягивающих остаточных напряжений достигающих для некоторых типоразмеров труб предела текучести основного металла [1]. Известно, что остаточные сварочные напряжения (ОСН) увеличивают накопленную в конструкции потенциальную энергию, что усиливает негативные последствия разрушения [2]. В особенности для конструкций работающих при низких климатических температурах ОСН могут способствовать развитию хрупкого разрушения.

В настоящей работе проведена расчетная и экспериментальная оценка ОСН кольцевых стыков труб использованных при строительстве магистрального газопровода, изготовленного из стали марки 13Г1СУ. Рассмотрены два варианта сварки стенки трубы диаметром 720 мм, с толщиной 8 мм: полностью весь стык - ручной дуговой сваркой (РДС) за 3 прохода и корневой шов - РДС последующие 2 прохода автоматической сваркой под флюсом.

При расчете температурных полей в виду тонкостенности оболочки принято допущение, что напряжения, образовавшиеся от двух первых проходов, практически полностью релаксируют, а напряженно-деформированное состояние кольцевого стыка будет определяться охлаждением металла «суперпрохода», образованного облицовочным швом.

Температурные поля рассчитывались по формулам приведенным в [3]

для режима автоматической сварки:



где

для режима ручной сварки:


где – критерий влияния теплоотдачи; ; – функция Бесселя второго рода нулевого порядка.

По заданным формулам были найдены наибольшая ширина изотермы 600°С и рассчитано распределение температур соответствующее найденному сечению [2].

По полученному температурному полю строится кривая полных температурных деформаций (в окружном направлении). Далее подбирается величина деформации н1 [2] необходимая для выполнения условия взаимоуравновешенности упругих деформаций. При этом н1 примем линейно убывающей от центра шва. При подборе н1 учитывается что упругие деформации не могут превосходить величину предела текучести () (до температуры 500°С считается постоянной, в интервале от 500°С до 600°С линейно убывающей), при температуре свыше 600°С упругие деформации равны нулю. Найденные эпюры упругих деформаций используются при разделении полных деформаций на упругие и пластические и определяется ширина зоны пластической деформации 2bnp. Для определения остаточных напряжений , найденные пластические деформации принимались за полные деформации при остывании, и по ним строились упругие деформации, без требования выполнения условия взаимоуравновешенности.

Воздействие ОСН влечет прогиб трубы в зоне сварного соединения. Который, в свою очередь, вызывает перераспределение остаточных напряжений.

Для упрощения расчетов прогиба цилиндрической оболочки под нагрузкой, распределенной по длине цилиндра, заменялась величиной, усредненной прямолинейной по ширине зоны пластической деформации 2bnp [4], и вычислялась равномерная нагрузка . Затем вычислялись прогибы цилиндрической оболочки под равномерной нагрузкой p распределенной по длине 2bnp цилиндра [4]. Для точек А на участке 2bnp




Для точек В



где






Рис. 1. Расчетные нагрузки q
По прогибам вычислялись дополнительные напряжения от изгиба σизг и окружного сокращения σокр сокр [5].

Окружные и осевые напряжения от изгиба



Окружные и осевые напряжения от окружного сокращения



Окружные и осевые ОСН определим как



Расчеты проводились для автоматического и ручного режима сварки, при следующих значениях параметров:

R=360 мм, δ=8 мм, α=5,8∙10-3 Дж/(см2∙сек∙ °С), λ=0,42 Дж/(см∙сек∙ °С), сγ= 4,9 Дж/(см3∙ °С), КТЛР=14∙10-6 1/°С, эффективная тепловая мощность дуги для автоматического режима сварки 62130 Дж/сек, при скорости сварки V=24 м/час, эффективная тепловая мощность дуги для ручного режима сварки 12180 Дж/сек, при скорости сварки V=5,5 м/час, Е=204 ГПа, μ=0,3, σТ=440 МПа.


Рис. 2. Расчетные и экспериментальные окружные сварочные напряжения.




Рис. 3. Расчетные и экспериментальные осевые сварочные напряжения.


Результаты расчетов ОСН для внутренней поверхности трубы сравнивались с экспериментальными значениями напряжений приповерхностного слоя, определенных рентгеновским методом (рис. 2, 3). Результаты измерений показали, что уровень остаточных напряжений кольцевого стыка сваренного РДС несколько ниже, чем расчетные. В случае автоматической сварки экспериментальные значения напряжений достаточно хорошо согласуются с расчетом.

Выводы:


  1. Принятая схема расчета ОСН кольцевых стыков достаточно хорошо согласуется с экспериментальными значениями напряжений при автоматической сварке.

  2. Уровень ОСН кольцевых стыков труб диаметром 720 мм полученных автоматической сваркой под флюсом выше, чем при ручной дуговой сварке.

  3. Уровень окружных напряжений несколько уменьшаются при приближении к центру шва.


Литература


  1. А.П Аммосов., Н.И Голиков. Диагностика сварных соединений действующих магистральных трубопроводов надземной прокладки, эксплуатируемых в условиях Севера // Контроль. Диагностика, 1999 г., № 9 –С.13-17.

  2. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т./ Редкол.: Г.А. Николаев и др. – М.: Машиностроение, 1979. –Т. 3/ Под ред. В.А. Винокурова. 1979. -567 с.

  3. Н.Н. Рыкалин Расчеты тепловых процессов при сварке. –М.: Машгиз, 1961. -298 с.

  4. В.А. Винокуров Сварочные деформации и напряжения. –М.: Машиностроение, 1968. -236 с.

  5. С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер. Пластины и оболочки. –М.: Наука, 1966. -636 с.