Разрушение сварных конструкций и вопросы надежности

Применение сварки в конструкциях

Разработка научных основ проектирования конструкций проводилась в ИЭС им. Патона, МВТУ им.Баумана, ЦНИИТМАШе, ЦНИИСКе и др. Рационализация проектирования и типизация изделий проводилась ЦНИИпроектстальконструкцией им. Н.П.Мельникова и радом других организаций.

Блестящими примерами на заре применения сварки было создание сварных мостов под автодорожное движение в Ленинграде (мост имени лейтенанта Шмидта) во второй половине 30-х годов и в Киеве (мост имени Е.О.Патона) во второй половине 40-х годов.

Применение сварки в мостостроении сыграло выдающуюся роль в развитии сварочной техники в металлоконструкциях всех видов. Сварной железнодорожный мост являлся своего рода флагманом, иллюстрирующим безопасность и надежность работы сварных соединений в наиболее трудных эксплуатационных условиях.

В мостах, в особенности со сквозными фермами, сочетаются многочисленные трудности применения сварки:

— высокие напряжения в элементах во время эксплуатации, наличие ярко выраженных динамических нагружений;

— большое число высоконапряженных швов, в том  числе угловых, и относительно сложные конструктивные формы узловых сопряжений элементов ферм;

— ударное воздействие подвижного состава в стыковых накладках рельсов, в том числе в условиях низких температур;

— наличие элементов, пересекающихся в разных направлениях в пространстве, что создает трудные условия для монтажной сварки.

Поэтому естественно, что демонстрация возможности создания сварных конструкций мостов стимулировала применение сварки в других, более легких случаях эксплуатации.

Второй отраслью техники, значительно способствовавшей применению сварки, являлось судостроение. Сварка в судостроении стала применяться с начала 30-х годов.

Разрушения конструкций

Разрушения конструкций крайне многообразны и далеко не всегда своим источником имеют нарушение прочности сварных соединений.

Значительная группа конструкций потерпела аварию вследствие отступлений при изготовлении относительно проекта. Например, разрушения имели место вследствие неучета состояния оснований под опоры конструкций. Это приводило к неравномерной осадке фундаментов, вызывавшей перегрузку отдельных частей сооружений, иногда менявшую статическую схему сооружения.

Много разрушений конструкций произошло в результате нарушения правил монтажа: использование элементов с недопустимыми дефектами, строповка за элементы конструкции вне узлов, несвоевременная постановка связей. Лавинообразные разрушения большой протяженности имели место в газопроводах.

В 30-х годах ряд сварных мостов с решетчатыми фермами был сооружен в Бельгии через канал Альберта. В некоторых из них появились трещины, а один пролет 74,5 м внезапно обрушился при отсутствии на нем полезной нагрузки. В качестве причин разрушения были признаны: применение хрупкой томасовской стали, значительные по величине остаточные напряжения. После этого подобных катастроф в мостостроении не было, но трещины образовывались нередко.

Разрушения имели место в крупных сварных судах типа "Либерти", построенных в большом количестве в США во время войны в начале 40-х годов. Эти разрушения были вызваны главным образом наличием резко выраженных концентраторов напряжений, а также недостаточной стойкостью материала против хрупкого разрушения. Во многих судах появлялись трещины, несколько судов переломилось. В результате учета этих недостатков крупные разрушения сварных судов прекратились.

Разрушения сварных соединений при низких температурах почти при полном отсутствии внешних нагружений явления редкие, но все же имеющие место в эксплуатации. Как правило, они наступают при понижении температуры и наличии ветра, способствующего охлаждению конструкции с одной стороны. Были единичные примеры подобных разрушений на Севере сварных кранов, известно самопроизвольное разрушение сварных сферических сосудов в условиях мороза.

Проблема обеспечения надежности сварных конструкций

К факторам, вызывающим разрушения в несварных конструкциях, использование сварки добавляет факторы, связанные как с конструктивным оформлением сварных соединений, так и с технологией их изготовления.

Так, на стадии проектирования выбранный тип соединенияпредопределяет появление конструктивных концентраторов напряжений, а назначение метода и приемов сварки — появление характерных технологических дефектов, вероятность обнаружения и исправления которых в процессе изготовления будет определяться уровнем культуры производства. Естественно, эти концентраторы напряжений, как конструктивного, так и технологического характера, в условиях эксплуатации сварной конструкции становятся потенциальными источниками разрушений.

Из вышесказанного следует, что обеспечение надежности машин и конструкций, понимая под этим вероятность безотказной работы в эксплуатации до наступления предельного состояния разрушения, является особенно острой проблемой при наличии сварных соединений.

Решение этой весьма сложной задачи применительно к сварной конструкции конкретного типа требует как освоения опыта проектирования, изготовления и эксплуатации данного вида конструкций, так и учета достижений науки в области теплофизики, металлургии, металловедения, прочности, теории упругости и пластичности, механики разрушения, автоматики и электроники.

Источники разрушений, связанные с применением в конструкциях сварных соединений, достаточно разнообразны.

Прежде всего это технологические несплошности (дефекты), которые могут возникать в процессе производства сварных конструкций.

Наличие несплошностей, а также конструктивных концентраторов напряжений, связанных с резкими переходами от основного металла к металлу шва или от одного элемента к другому, может способствовать снижению надежности сварного соединения. Их отрицательное влияние иногда проявляется даже в случае статического приложения нагрузок при неблагоприятном сочетании с собственными напряжениями при действии низких температур или агрессивных сред. Наиболее сильное влияние наличия несплошностей имеет место при работе конструкции под усталостной нагрузкой. В этом случае даже небольшой дефект или концентратор может стать источником зарождения трещины.

Ни один из существующих способов сварки не обеспечивает гарантированного бездефектного сварного соединения без последующего исправления. Это объясняется тем, что на качество сварных соединений оказывают влияние многие факторы не только металлургического, но и технологического, а также организационного характера, задача регулирования и поддержания которых в необходимых пределах полностью не решена.

Рациональное и квалифицированное использование существующих методов контроля обычно даст достаточно объективную информацию о состоянии контролируемых сварных соединений. Сопоставление данных контроля качества конкретного изделия с данными нормативных документов отрасли позволяет решать вопросы приемки этого изделия или исправления тех дефектов, параметры которых выходят за пределы допустимости.

Ограниченность такого подхода заключается в отсутствии непосредственных связей между данными нормативно-технологических документов и процессами разрушения в случае наличия тех или иных дефектов. Поэтому надежность приходится обеспечивать косвенно, путем регламентации уровня качества технологического процесса, а не уровня работоспособности сварной конструкции в эксплуатации.

Соблюдение требований нормативно-технологических документов необходимо как средство поддержания дисциплины производства, ограничивающее допуск к эксплуатации изделий по уровню дефектности. Однако этот уровень дефектности условен. Если обнаруженный при приемочном контроле или в процессе эксплуатации дефект несколько выходит за пределы норм, то нередко возникает сомнение, насколько обоснована браковка изделия, когда исправление дефекта оказывается трудно осуществимо или невозможно. Решение о допуске к эксплуатации без исправления дефекта может быть принято, только если выполнен контрольный расчет, показывающий, что в процессе эксплуатации изделия зарождение трещины от дефекта и последующий рост этой трещины еще не приведут к наступлению предельного состояния разрушения в пределах заданного ресурса. До настоящего времени такие подходы в расчетах еще не получили достаточно систематизированного изложения даже применительно к однородному металлу,  не говоря об учете возможной неоднородности механических свойств сварных соединений.

Источник: Винокуров В.А. и др. "Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности". Москва, "Машиностроение", 1996