Главная Обратная связь

Дисциплины:






Розрахунковий метод Трочуна



Вступ

 

Більшість магістральних трубопроводів (МТ) експлуатують вже тривалий час, постійно зростає їх відсоток із відпрацьованим нормативним терміном. У зв'язку з цим з кожним роком загострюється проблема діагностування МТ з рекомендаціями щодо можливостей подальшого їх використання . Різноманітні обстеження МТ показали, що термін їх безпечної експлуатації у значній мірі залежить від корозійної стійкості металу та надійності зварних з’єднань. Особливо це стосується багатошарових монтажних швів,які після зварювання часто не піддаються додатковій технологічній обробці з метою зменшення залишкових напружень. Вони можуть істотно впливати на міцність і довговічність трубопроводів тривалої експлуатації з дефектами, особливо при циклічному навантаженні. У зв’язку з цим актуальним є дослідження, присвячене розвитку методу визначення технологічних залишкових напружень в монтажних кільцевих зварнихз’єднаннях і оцінки їх впливу на довговічність МТ з дефектами типу тріщин при циклічному навантаженні. Це і зумовило вибір теми наукової роботи, визначило предмет, мету, завдання та структуру досліджень.

1 Поняття про внутрішні напруження та їх класифікація

 

1.1 Класифікація напружень та деформацій при зварюванні

 

Розширення та скорочення металу від нерівномірного нагріву, або охолодження, а також від структурних перетворювань, утворюють так звані власні або внутрішні деформації і напруження при зварюванні. На відміну від напружень та деформацій які виникають в металі, внаслідок дії на нього навантаження. Власні напруження та деформації існують в тілі при відсутності будь яких зовнішніх навантажень. Власні напруження класифікують в залежності від причини що їх викликає:

· Напруження від пружного або пластично механічного деформування при складані, монтажі та правлені;

· Напруження від пружних і пластичних деформацій внаслідок нерівномірного нагрівання деталей;

· Від нерівномірної зміни об’єму тіла при фазових перетворюваннях.

По часу існування напруження бувають:

· Тимчасові які існують в період виконання технологічної операції;

· Залишкові,які стійко зберігаються на протязі тривалого періоду часу.

По степені багатовісності:

· Одновісні (лінійні);

· Двовісні (площині);

· Тривісні (об’ємні напруження).

Від об’єму в межах якого напруження взаємноврівноважені:

· Напруження 1 роду (макрооб’єм);

· Напруження 2 роду (в межах зерна, або просто зерно);

· Напруження 3 роду (кристалічна решітка).

Відорієнтації в просторі:

· Повздовжні орієнтовані та діють вздовж осі шва;

· Поперечні-орієнтовані та діють перпендикулярно осі шва, в площині з’єднувальних елементів



· Напруження що орієнтовані в напрямку перпендикулярному площині листа ;

При зварюванні закріплених елементів в них виникають залишкові напруження які називаються реактивними, вони врівноважуються реакціями в’язів (закріплень), і при знятті закріплень вони зникають. Власні напруження також класифікують в залежності від деформацій які вони викликають:

· Загальні, змінюють форму всього об’єму;

· Місцеві (які розповсюджуються на окремі елементи).

 

1.2 Причини виникнення напружень та деформацій

Поява в деталях і конструкціях зварювальних, або внутрішніх, напружень, спричинених зварюванням, небезпечна, оскільки, додаючись до напружень, що виникають від зовнішніх зусиль, вони можуть досягти значень, більших за допустимі. У такому разі в зварних швах або навколошовних ділянках можуть утворитися тріщини, які іноді призводять до руйнування зварної деталі чи конструкції. Деформації або короблення, більші за допустимі, потребують наступного правлення або механічної обробки, що значною мірою ускладнює процес виготовлення зварних конструкцій і знижує економічність зварювання.

Причини виникнення напружень і деформацій такі: нерівномірне нагрівання основного металу; ливарна усадка металу зварного шва і зміна об’єму металу в зоні термічного впливу при структурних перетвореннях металу.

Нерівномірне нагрівання основного металу є результатом нагрівання до високих температур лише тієї частини металу, що безпосередньо межує зі зварним швом. Вільній зміні її об’єму перешкоджають сусідні, холодніші ділянки, внаслідок чого в ділянках, що нагріваються, виникають напруження стискання, а в холодних – напруження розтягання. При досягненні границі текучості, що, як правило, й відбувається в зварюванні, в нагрітих ділянках виникають пластичні деформації. Під час охолодження металу в цих зонах виникають напруження розтягання, які є вже залишковими, або внутрішніми, напруженнями, що призводять до появи в зварних виробах деформацій або короблень.

Ливарна усадка металу шва може бути поздовжньою і поперечною. Прикладом поздовжньої може бути усадка, що виникає при зварюванні в стик двох листів великої довжини. В процесі зварювання внаслідок поздовжньої усадки зменшується зазор між кромками листів. Коли кромки зійдуться впритул, то при невеликій товщині листів вони почнуть наповзати один на одного.

Прикладом поперечної усадки може бути зварювання в стик листів із У-подібним розкриттям кромок. Оскільки об’єм наплавленого металу з широкого боку шва більший, то й усадка тут буде більшою. Через це листи після зварювання деформуються.

Зміна об’єму металу внаслідок структурних перетворень відбувається в зоні термічного впливу головним чином при зварюванні металів, схильних до гартування. Напруження, що виникають при цьому, можуть бути настільки значними, що часто саме вони є причиною утворення тріщин при зварюванні деталей з цих металів.

 

Методи зниження

Є три основних способи зменшення зварювальних напружень і деформації: 1) зменшення об’єму матеріалу, що піддається пластичному деформуванню на стадії нагрівання; 2) створення в зонах пластичної деформації, що виникли при нагріванні деформації протилежного знаку (як при охолодження так і при нагріванні); 3) компенсація зварювальних напружень та деформацій шляхом симетричного розміщення швів, створення зон пластичних деформацій, забезпечення вільної усадки.

До методів попередження відносять: 1) регулювання теплового стану металу зварного з’єднання при зварюванні; 2) активне навантаження зварних елементів під час зварювання; 3) комплексна деформація.

Регулювання теплового стану металу при зварюванні можна досягти інтенсивним тепловідведенням від зони шва а також з застосуванням концентрованих джерел нагрівання.

До способів активного навантаження відносяться: вібраційне або ультразвукове оброблення в процесі зварювання комплексна деформація може досягатися раціональним конструюванням, застосуванням раціональної послідовності складання і зварювання конструкції, закріплення виробів в процесі зварювання.

До методів усунення відносяться: 1) силовий тобто механічний вплив на зварне з’єднання; 2) тепловий вплив.

Силовий може здійснюватись розтягуванням зварного з’єднання; прокату роликами зварного шва; вібраційним або вибуховим обробленням зони шва. Найбільш поширеним тепловим впливом є термооброблення та термічне правлення зварного з’єднання.

Величина і характер зварювальних напруг і деформацій визначаються низкою технологічних і конструктивних факторів. Розглянемо вплив деяких з них.

Вид та спосіб зварювання. Значний вплив на величину зварювальних деформацій надає ступінь концентрації теплоти. Її висока концентрація сприяє звуженню зони, що піддається пластичних деформацій, та зменшення деформацій всієї конструкції.

Величину залишкових деформацій можна знизити, замінивши ручне дугове зварювання покритими електродами автоматичним або напівавтоматичним зварюванням у вуглекислому газі, аргоні або порошковим дротом.

Вплив форми шва. Величина і характер залишкових зварювальних деформацій помітно залежать від форми шва. За інших рівних умовах Х-подібна підготовка кромок завдяки симетричному розташуванню швів відносно нейтральної осі викликає меншу кутову деформацію, ніж V-образна. З метою зменшення деформацій у деяких випадках доцільно застосовувати двосторонню зварювання. При зварюванні під флюсом менші деформації відбуваються у з'єднаннях без скосу крайок. Ефективний захід зниження деформацій - зменшення перетину шва.

Режим зварювання. Величина і характер зварювальних напружень і залишкових деформацій перебувають у прямій залежності від погонною енергії зварювання, яка визначається обраним режимом зварювання. Зі зменшенням погонною енергії деформації знижуються.

Порядок зварювання та закріплення деталей, що зварюються. На величину виникають при зварюванні залишкових деформацій і напруг істотно впливає порядок накладення зварних швів по довжині з'єднання і його перетину. Найбільші залишкові деформації відзначені при зварюванні на прохід, тобто при виконанні швів від початку до кінця без перерв. У разі ручного зварювання для зменшення величини деформації доцільно виконувати шви від середини листів до країв. Цю схему застосовують при виконанні зварювання двома зварниками.

Різко зменшує величину напружень і деформацій так звана обратноступенчатая зварювання, коли шов зварюють ділянками таким чином, щоб до початку зварювання подальшого ділянки температура попереднього була не вище заданого значення, наприклад при зварюванні сталей - не вище 200 ... 300 ° С. Для одностороннього зварювання ця умова забезпечується, якщо довжина ступеня дорівнює ділянці, звареного одним електродом (при перетині шва, рівному 1 ... 2 перерізу стрижня електрода). Зменшення деформацій і напруг при обратноступенчатой​​зварюванні пов'язано з тим, що її виконують по розширеному зазору. При охолодженні одночасно зі зменшенням ширини шва зменшується і розширений зазор, що сприяє зниженню реактивних напружень і деформацій.

Для зменшення величини залишкових напруг і деформації ту при зварюванні багатопрохідних швів застосовують каскадний метод зварювання. Істотний вплив на величину напружень і залишкових деформацій надають довжина і напрям зварювання окремих швів.

Ефективний захід зниження залишкових деформацій - закріплення деталей, що зварюються в спеціальних пристосуваннях - кондукторів.

 

2 Основні способи визначення залишкових напружень та деформацій

 

1.2 Розрахунковий метод Ніколаєва

 

Розрахунковий метод Ніколаєва, метод побудований на наступних припущеннях: використовують гіпотези плоских перерізів; лінійність напруженого стану, залежності межи текучості та відносної пружної деформації на рівні межи текучості від температури, модель ідеально пружно пластичного тіла, незалежність теплових властивостей металу від температури в широкому діапазоні температур. Рівномірність розподілу температури, деформацій і напружень по товщині пластини. Ціль методу визначення параметрів ; ;y, які дозволяють побудувати епюри залишкових пружних деформацій у поперечному перерізі зварного з’єднання. Для визначення даних параметрів необхідно розподілити повздовжні деформації в поперечному перерізі на двох стадіях, нагрівання і після повного охолодження.

Якщо відома температурна крива в перерізі зварного з’єднання, то відома в даному перерізі і крива температурних деформацій. ,повній деформації на стадії напруження, згідно гіпотези плоских перерізів, будуть визначатися горизонтальною лінією. Порівняння цих двох деформацій в перерізіпокажеїхневідповідність одна одній.

Щоб визначити параметри (bn і y ) необхідно на стадії нагрівання використати залежності ; ; де ; ; ;

Визначені параметри дозволяють побудувати епюру повздовжніх залишкових пружних деформацій в поперечному перерізі зварного з’єднання.

- коефіцієнт температурного розширення; q- теплова потужність; v- швидкість зварювання; cj- об’ємна теплоємність; у-віддаль від осі шва до даної точки.

 

Розрахунковий метод Трочуна

 

В даному розрахунковому методі приймається всі припущення які були використані в розрахунковому методі Ніколаєва і крім цього додатково припускається що по ширині пластичної зони 2*(bn) залишкові напруження розміщені рівномірно і рівні межі текучості матеріалу, тому в методі Трочуна, епюра залишкових пластичних напруженнях деформацій вкорочення приймаються не в вигляді криволінійної трапеції, як це було у методі Ніколаєва, а у вигляді прямокутника.

bn- ширина пластичної зони.

Умови рівноваги внутрішніх повздовжніх зусиль в поперечному перерізі буде мати вигляд

-площа поперечного перерізупластичноїзони.

- повздовжнінапруження поза пластичною зоною; F- площа поперечно го перерізу з’єднання;

- повздовжні напруження коротко пластичною зоною.

Умову (1) можна записати через відносні деформації:

(2)

Тоді ; .

Для визначення та необхідно знати площу поперечного перерізу пластичної зони , якщо ширина пластичної зони (2*bn), а товщина пластини (б), то площа буде визначатися , тоді завдання зводиться до визначення розміру bn. Перший спосіб визначення bn, за методом Прочуна ; зона обмежена температурою t, при якій зникають пружні властивості металу, в зоні при досягнені максимальних температур, повна повздовжня інформація розглядуваної точки складається із температурної пружної і пластичної складової. Пластичні деформації стиску зумовлені жорсткістю зварювальних листів, в зоні на стадії напруження пружної деформації того ж знаку.Розмір можна визначити за формулою Рекаліна, для максимальних температур біляшовній зоні на відстані у відосі шва без врахування втрат на поверхневому тепловіддачу.

; де y=b.

 

2.3 Визначення залишкових напружень за допомогою руйнуючих методів

 

Вимірювання напружень з допомогою деформометра.Механічний деформометра складається з таких вузлів: конуса з важільною системою, перетворювача деформацій, в залежності від конструкції вимірювальних важелів деформометра встановлюють на базі виробу у виготовлені отворів діаметром 0,8-1,2 мм, або у вигляді сферичних заглиблень.

Методика проведення замірів:

В середній частині зразка на базі B’=100 мм висвердлюють два ряди отворів діаметром 0.8-1.2 мм. Проводять заміри баз за допомогою деформометра.

Проводять зварювання після повного остигання пластини,потім знову знімають заміри B” (збіл.) З метою визначення залишкових пружних деформацій,пластину розрізають і повторно знімають заміри B’’’, після цього проводиться розрахунки деформацій.

 

 

 

а) – циліндричне заглиблення; б) – сферичне заглиблення;

 

Рис. 2.1 – Схема визначення вимірів важелів деформометра в отвори бази вимірювань

 

2.4 Вимірювання залишкових напружень тензометрами опору

Дія ґрунтується на зміні електричного опору матеріалів,в результаті деформації. При дії на тензочутливий елемент розтягувальних або стискувальних деформацій змінюються геометричні розміри провідника тензодатчика, і це змінює його опір. Відносна зміна опору визначається залежністю:

S – коефіцієнт тензочутливості тензометра; визначається експериментально, оскільки:

тоді

- зміна опору провідника;

Отже вимірювання пружної деформації полягає у визначенні зміни опору ∆ R провідника тензодатчика. .

 

 

Вимірювання напружень за допомогою дротяних тензометрів опору.

Конструктивно тензорезистор складається з паперової або плівкової підложки, на якій за допомогою клею прикріпляють чутливий елемент,до якого під’єднюются провідники. В якості чутливого елементу використовуємо дріт константану діаметром 0.012-0.5 мм. Коефіцієнт чутливості константного дроту незмінний аж до руйнування,і рівний S=2. Чутливий елемент виконують у вигляді петлеутворюваючої решітки різної конфігурації. Довжина тензочутливого елементу називається базою тензорезистор. За довжиною бази тензорезистор розділяються на три групи:

- з малою базою l>6 мм.

- середньою від 10 до 30 мм;

- великою більше 40 мм;

Прикладка тензорезистор призначена для елементів ізоляційно чутливого елемента від матеріалу випробуваної деталі і для його закріплення.

Вимірювання напруження за допомогою фольгових тензодатчиків.

Чутливий елемент виготовлюють з тонколистового матеріалу товщиною 2-10 мікрометра, штампуванням або травленням, як матеріал використовують константан і хром при підвищених температурах до 300 С.

Решітка чутливого елементу має прямокутний переріз, що при малій товщині збільшує площу константану з поверхнею досліджуваного об’єкту, покращує передачу деформації з об’єкту на чутливий елемент, підвищує надійність і стабільність вимірювань. Випускається з базою 0.3 і більше.

Вимірювання напружень за допомогою напівпровідникового тензометра опору. Використовують при дослідженні малих деформацій, чутливий елемент виготовляють з моно кристалічного напівпровідника (германієві або кремнієві) товщиною 20-50 мікрометрів, шириною до 0.5 мм і довжиною від 2 до 12 мм. Опір і коефіцієнт чутливості залежіть від кількості домішок температури і мають обмежений діапазон деформування. Приклеюється на поверхню досліджуваного матеріалу.

Вимірювання напружень в глибині матеріалу.Для визначення трьох дійсних напружень застосовують метод глибоких отворів, що полягає у визначенні деформацій металу за допомогою тензометрів, що встановлюються

в глибині металу. Для встановлення тензометрів у виробі до зварювання готують отвори діаметром до 8 мм, що розміщують поблизу досліджуваної точки. У підготовленні отвори на різьбі встановлюється тензоопір, що є гвинтом з двома наклеєними на боках дротяними датчиками опору. Вкручують гвинт з натягом, це забезпечує реагування, як на деформації вкорочення,так і видовження.

 

2.5 Неруйнівні методи визначення напружень

Магніто-пружний метод визначення напружень.Під дією механічних напружень змінюються властивості феромагнітних матеріалів, що зумовлено деформацією решітки і відповідно характером магнітної взаємодії між атомами кристалу. Це призводить до зміни магнітної проникності або .

Де - відносна зміна магнітної проникності; - початкова магнітна проникність; - величина магнітної стрикції (властивість магнітного матеріалу).

Поляризоційно-оптичний метод визначення напружень.

Метод передбачає застосування моделей з оптично чутливих матеріалів. Базується на поляризації світла і властивостей прозорих ізотропних матеріалів під дією навантаження отримують властивості подвійного променезаломлення. Основним законом поляризаційно-оптичного методу є закон Ветт-Байма, що виражає кількісний зв’язок між оптичним ефектом і різницею головних напружень .

де - різниця ходу променя; с- відносний оптичний коефіцієнт; d- товщина пластини;

Оптична різниця ходу і напрямку головних напружень і визначається при просвічувані плоских моделей в полярископі.

Полярископ складається з джерел світла, поляризатора, аналізатора. Інтерференційна картина, що спостерігається на зображені моделі називається картинками полос.

 

 

3 Розробка установки для моделювання залишкових напружень та деформацій





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...