Конструкционная прочность тонкостенных элементов конструкций при низких температурах

УДК 621.79

КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Р.М. Трибунская, Я.С. Женочин

Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003

e-mail: rayamt@mail.ru

Объектом исследования являются сварные тонкостенные криогенные емкости, трубопроводы и сосуды, работающие под давлением. Цель исследования - определение экспериментальных данных о реальной конструкционной прочности сварных тонкостенных криогенных емкостей, трубопроводов и сосудов, работающих под давлением, в сравнении с конструкционной прочностью материалов. Методом исследований является экспериментальная оценка конструкционной прочности.

Ключевые слова: сварные соединения, криогенные трубопроводы, деформативность, микротвердость, окружные напряжения, биметаллические переходники.

Structural strength of construction thin-walled elements at low temperatures. R.M. Tribunskaya, Y.S. Zhenochin

We studied welded thin-walled containers, pipelines and tanks under pressure. The research aim is to determine experimental data of actual construction structural strength thin-walled elements of welded thin-walled containers, pipelines and tanks under pressure in comparison with materials construction structural strength. Research method is experimental evaluation of construction structural strength.

Key words: welded connection, cryogenic pipelines, deformability, microhardness, circle tension, bimetallic adaptors.

В конструкциях криогенной техники часто возникает необходимость прочного и плотного соединения элементов из алюминиевых сплавов с элементами из сталей или титановых сплавов. Наиболее перспективным методом получения герметичных сварных соединений разнородных металлов является сварка давлением с нагревом стыка, сварка взрывом, диффузионная сварка.

Рассмотрим особенности деформированного состояния и несущей способности сварных соединений криогенных трубопроводов из разнородных металлов.

Неразъемные соединения трубчатых заготовок из стали 12Х18Н10Т алюминиевых сплавов АМг6. Д20, титанового сплава ВТ5-1кт в различных сочетаниях были получены сваркой трением. Ряд соединений был выполнен с промежуточной мягкой прослойкой из технического алюминия АД1. Геометрию стыка изменяли для получения более прочного сварного соединения за счет использования температурных напряжений в стыке разнородных металлов, возникающих при его охлаждении.

На рис. 1 приведены схемы испытанных сварных соединений. В результате расчета напряженно-деформированного состояния было установлено, что в местах контактов разнородных материалов существуют значительные градиенты напряжений. Их появление вызвано действием изгибающего момента и окружной силы. Максимальные окружные напряжения в трубе из стали 12Х18Н10Т превышают окружные напряжения в прослойке из алюминия АД1 в 2,22-1,37 раза. Максимум изгибающего момента приходится на зону контакта сплава АД1 и стали 12Х18Н10Т [1].

Рис. 1. Трубчатые сварные соединения разнородных металлов - стали, алюминиевых и титановых сплавов: а - сварное соединение с плоским стыком; б - сварное соединение с двойным коническим стыком; в - сварное соединение с коническим стыком; г - сварное соединение с коническим стыком без мягкой прослойки

Напряженно-деформированное состояние переходников из разнородных металлов существенно зависит от их конструктивных параметров, в частности от ширины прослойки. Данные расчета были подтверждены проведенными экспериментами, показавшими, что при 20°С с увеличением ширины прослойки из сплава АД1 прочность сварного соединения неизменно снижалась, а при -196°С повышалась. При изменении формы стыка (коническая прослойка, а = 45°) была достигнута максимальная прочность сварного соединения, превышающая в три раза прочность колец из алюминия АД1 (рис. 2). Испытания проводили при осевой нагрузке в интервале температур от -269 до 200°С. Неблагоприятное сочетание термических напряжений и напряжений от внешней нагрузки приводит к разупрочнению соединения с плоским стыком при охлаждении ниже -196°С [2].

Рис. 2. Влияние температуры охлаждения на прочность сварных трубчатых соединений стали 12Х18Н10Т и алюминиевого сплава Д20 различной геометрии: 1 - конический стык; 2 - плоский стык

При совместном нагружении осевой силой и внутренним давлением несущая способность переходников, которые подвергались многократному нагружению, также несколько понизилась (на 2-11%). Большее снижение несущей способности происходит при низких температурах (табл.).

Соединение Вид нагружения Т, °С Нагрузка а1 кг/мм2 а 2 кг/мм2 Характер разрушения

р, кг/см2 N кг

Внутреннее 20 425 - 6,75 13,5 По прослойке

12Х18Н10Т - АД1 давление -196 720 - 11,4 22,8 То же

- Д20, стык

конический Внутреннее 20 310 2500 10,0 10,0 То же

с прослойкой давление + растяжение -196 420 3400 12,5 12,5 То же

Внутреннее 20 180 - 5,8 11,75 По стыку

12Х18Н10Т - Д20, давление -196 260 - 10,0 20,6 То же

стык конический Внутреннее 20 180 1440 10,9 11,2 То же

без прослойки давление + растяжение -196 215 2000 13,0 13,3 То же

12Х18Н10Т - Д20, Внутреннее 20 220 - 7,3 14,6 То же

стык конический давление -196 180 - 6,0 12,0 То же

без прослойки, Внутреннее 20 180 1400 11,8 11,8 То же

после давление + -196 175 1360 11,7 11,7 То же

термоциклировани я ±200°С, 200 растяжение

циклов

12Х18Н10Т -АД1-АМг6, стык конический с прослойкой Внутреннее давление 20 -180 320 390 - 7,27 9,08 14,54 18,16 По прослойке То же

Внутреннее 20 180 1250 8,32 8,32 То же

давление + растяжение - 180 210 1500 9,72 9,72 То же

12Х18Н10Т -АД1-ВТ5-1кт, стык конический двусторонний с прослойкой Внутреннее давление 20 -196 590 1360 - 3,8 8,7 9,83 22,6 То же То же

Внутреннее давление + растяжение 20 -196 380 800 1200 3400 6,04 15,43 6,33 13,33 То же То же

12Х18Н10Т - Внутреннее 20 590 - 3,78 9,89 То же

АД1- ВТ5-1кт давление -196 1160 - 7,43 19,39 То же

стык конический Внутреннее 20 390 1300 5,62 6,5 То же

двусторонний давление + -196 780 3000 14,09 13,0 То же

с прослойкой, растяжение

гидроциклировани е, 0-200кг/мм2. 500

циклов

Экспериментально была установлена величина термических напряжений в мягкой прослойке и соединяемых ею элементов из стали 12Х18Н10Т и титана ВТ5. Для измерения деформаций использовали фольговые тензорезисторы типа 2ФКПА-1-50, которые были наклеены на основном металле и в зоне стыка. На рис. 3 показано изменение деформаций на поверхности трубчатого образца у стыка разнородных металлов при охлаждении от 20 до -269°С. При определении величины напряжений по измеренным деформациям использовали данные о зависимости модуля упругости металлов, составляющих стык, от температуры. Поскольку для алюминия АД1 при температурах ниже -75°С замеренные деформации выходят за уровень, соответствующий пределу упругости, то для нахождения напряжений использовали начальные участки кривых упруго-пластического деформирования алюминия АД1, полученные экспериментально при различных температурах.

Было установлено, что наибольшие напряжения растяжения возникают в алюминиевой прослойке со стороны титановой трубы при охлаждении до температуры минус 269°С и достигают 10,6 кг/мм2. Напряжения такой же величины, но обратного знака (сжатия), появляются в трубе из титанового сплава ВТ5-1кт. При температуре -269°С в алюминиевой прослойке, со стороны стали 12Х18Н10Т, напряжения достигают 10,2 кг/мм2. Такие же напряжения, но обратного знака имеют место в стальной трубе. Наибольшие изменения деформаций на стыках разнородных металлов наблюдаются в интервале температур от 0 до -200°С. Это можно объяснить тем, что именно в этом температурном интервале более всего отличаются коэффициенты линейного расширения состыкованных материалов.

а б в г д

Рис. 3. Разрушение трубчатых сварных соединений разнородных металлов при 20°С и криогенных температурах по мягкой прослойке при нагружении внутренним давлением (а, б) и при разрыве осевой силой (в-д): а, в - Т= 20°С;

б, г - Т = -196°С; д - Т =-269°С

Наименьшая деформативность возникает в контакте стали с алюминием, так как из-за выделений интерметаллидов здесь наблюдается пик микротвердости. При плоском стыке разрушение соединения, как правило, происходит в этом месте. Термические напряжения обратного знака (сжатия) по отношению к напряжениям от внутреннего давления изменяют этот эффект. Разрушение соединений из разнородных металлов с коническим стыком происходит главным образом по мягкой прослойке.

Проведенные расчеты и опыты позволили в качестве основных факторов, влияющих на конструкционную прочность сварных соединений труб из разнородных металлов, выделить температуру, геометрию стыка, вид напряженного состояния в результате нагружения осевой нагрузкой, внутренним давлением или одновременным действием осевой силы и внутреннего давления, а также механические свойства прослойки.

Причина повышения прочности соединений с коническим стыком (см. рис. 1, а) заключается в том, что комбинация механических (от внешних усилий) и термических (благодаря разным коэффициентам линейного расширения свариваемых элементов и мягкой прослойки) напряжений при нагружении трубок внутренним давлением приводит к развитию трехосного неравномерного растяжения материала прослойки. Этим и определяется более высокое сопротивление разрушению алюминия АД1.

Испытания биметаллических переходников разной конструкции из алюминиевого сплава АМгб со сталью 12Х18Н10Т и титановым сплавом ВТ5-1 кт производили нагружением образцов совместно: внутренним давлением и осевой силой, и раздельно в условиях комнатной и криогенных температур. Для выявления влияния перенапряжения в результате охлаждения стыка разнородных металлов часть трубчатых образцов была испытана после циклического нагружения растяжением (500 циклов) и растяжением с кручением (500 циклов) при температуре 20°С, в ряде опытов использовали образцы с меньшей толщиной прослойки.

Испытания, проведенные в интервале температур от -196°С до 200°С, показали рост прочности при снижении температуры (температурное упрочнение) сварных элементов с мягкой прослойкой. Прочность соединения без прослойки при -196°С оказалась ниже, чем при 20°С.

Максимальное сопротивление разрушению соединения наблюдается при его нагружении внутренним давлением. В этом случае окружные деформации мягкой прослойки стеснены прилегающими участками стали и сплава Д20. Минимальная несущая способность переходника получена при его пропорциональном нагружении осевой силой и внутренним давлением в условиях низких температур.

По эквивалентным напряжениям сопротивление разрушению меньше при нагружении

переходника внутренним давлением (= 0,5), чем при нагружении его растяжением. При всех

температурах испытаний соотношение между предельными разрушающими напряжениями при испытаниях внутренним давлением и осевым растяжением составляет примерно 0,6. Разрушение при 20 и -196°С происходит по прослойке, а при -269°С начинается в месте контакта алюминия со сталью.

В обоих случаях нагружения в интервале температур от 20 до -269°С наблюдается температурное упрочнение в 2,6 раза. Для сравнения отметим, что у алюминия АД1 при разрыве обычных образцов прочность возросла в 2,8 раза при охлаждении до -196°С и в 6,25 раза при охлаждении до -269°С.

В условиях осевого растяжения прочность сварного соединения разнородных металлов определяется либо сопротивлением разрушению наименее прочного материала в соединении (АД1), либо прочностью контактного сцепления стали или титанового сплава с алюминием. При нагружении внутренним давлением деформирование разнородных металлов стеснено из-за краевого эффекта. В связи с этим при всех температурах испытаний внутренним давлением

наблюдается сильное выпучивание средней части мягкой прослойки, а затем в этом месте образуется продольная трещина (рис. 3, а). При совместном нагружении биметаллического переходника осевой силой и внутренним давлением несущая способность сварного соединения отличается от таковой в условиях осевого растяжения и в условиях нагружения только внутренним давлением [4]. Сопоставление предельного сопротивления в эквивалентных напряжениях в указанных трех случаях нагружения показывает, что по отношению к одноосному растяжению наблюдается снижение сопротивления (на 30-40%). Несколько увеличивается сопротивление по отношению к неравноосному растяжению (на 12-25%). Снижение температуры испытаний ведет к некоторому увеличению абсолютной величины сопротивления разрушению (на 25%), но отмеченные соотношения сохраняются (рис. 3).

Характер разрушения переходников, испытанных при совместном нагружении внутренним давлением и осевой силой, показан на рис. 3, б. При всех температурах испытаний разрушение происходит по мягкой прослойке.

О незначительном влиянии остаточных напряжений и небольших дефектов на несущую способность сварных биметаллических переходников можно судить по результатам испытаний образцов, подвергнутых предварительному многократному нагружению. Режим многократного нагружения: температура 20°С, внутреннее давление изменялось от нуля до величин, соответствующих 0,8 Oj сплава АД1 (р = 200 кг/см2), число циклов 500.

Высокая пластичность используемых металлов способствует релаксации пиков остаточных напряжений, возникающих в результате многократного нагружения. Об этом свидетельствует обнаруженное в результате многократного нагружения некоторое локальное упрочнение в контакте разнородных металлов (вследствие местных микродеформаций).

После многократного нагружения образцов внутренним давлением при их последующем нагружении осевой силой несущая способность переходников сохранилась при 20°С и несколько снизилась (на 12%) при -269 °С. Вид разрушения остался таким же, как у переходников, которые не подвергались многократному нагружению.

Значительное влияние на прочность сварных соединений разнородных металлов оказывают технология их производства, степень стабильности фазового состава используемых материалов, особенно в местах контакта, конструктивные особенности переходников. В результате выполненного экспериментального исследования и расчета напряженно-деформированного состояния стыка разнородных металлов было показано, что стеснение деформаций в мягкой прослойке вследствие применения конструкции косого стыка и развития температурных деформаций при охлаждении такого сварного соединения способствует росту сопротивления разрушению мягкой прослойки из алюминия АД1.

Таким образом, результаты исследования подтвердили существенное влияние конструктивно-технологических факторов, температуры испытаний и вида нагружения на напряженно-деформированное и предельное состояние сварных шаровых баллонов, тонкостенных сферических элементов и сварных соединений трубопроводов. Это влияние может привести к снижению прочности оболочечных и трубчатых тонкостенных сварных конструкций на 10-16%, что необходимо учитывать при определении коэффициента безопасности.

Литература

1. Механические испытания конструкционных материалов при низких температурах // Н.В. Новиков, А.А. Лебедев. - Киев: Наук. думка, 1974. - 192 с.

2. Влияние охлаждения (до -196°С) на несущую способность тонкостенных полусферических элементов сосудов // Н.В. Новиков, Э.В. Чечин., К.А. Ющенко // Пробл. прочности. - 1974. - № 1. - С. 52-56.

3. Прочность материалов и элементов конструкций в экстремальных условиях // Г.С. Писаренко. - Киев: Наук. думка, 1980. - С. 657-660.

4. Методика оценки механических свойств листовых материалов при двухосном растяжении эллипсоидных сегментов // Завод. лаб. - 1967. - № 5. - С. 608-612.