SU1631350A1

SU1631350A1 - Способ определени прочности соединени наварного шва с цилиндром

Info

Publication number: SU1631350A1
Application number: SU884401936A
Authority: SU
Inventors: Николай Степанович Когут; Владимир Денисович Мигус; Владимир Степанович Бохняк
Original assignee: Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомола
Priority date: 1988-04-01
Filing date: 1988-04-01
Publication date: 1991-02-28

Abstract

Изобретение относитс к способам определени прочности соединени наварного шва с цилиндром. Цель изобретени - повышение точности при испытании соединений, работающих под действием гидравлических ударов путем учета вли ни шовной зоны. Способ заключаетс в том, что создают надрез на наружной поверхности цилиндра, формируют в этом надрезе наплавку и подвергают цилиндр осевому раст жению до разрушени . Надрез выполн ют коническим с острым углом при вершине , создают в полости цилиндра фиксированное внутреннее давление и по величине его спада определ ют врем до разрушени . 1 ил.

Description

Изобретение относитс к машиностроению , в частности к испытани м материалов на механические свойства, и может быть использовано при испытани х сварных швов на прочность в издели х типа сосудов давлени , трубопроводов путем определени характеристики трещиностойкости в присутствии рабочих сред и высоких давлений.

Цель изобретени - повышение точности при испытании соединений, par встающих под действием гидравлических ударов, путем учета вли ни шовной зоны.

Способ определени усталостной прочности соединени навйрного шва с цилиндром заключаетс в том, что создают надрез на наружной поверхности цилиндра. Формируют в этом надрезе наплавку и подвергают цилиндр осевому раст жению до разрушени . Надрез выполн ют коническим с острым углом при вершине. Образуют внутреннюю трещину в материале шва (наплавки ) . Создают в полости цилиндра фиксированное внутреннее давление и по величине его спада определ ют врем до разрушени .

Способ реализуетс следующим образом .

Из пруткового материала режут заготовки заданного размера. Среднюю часть заготовки до необходимого диаметра протачивают, а по концам оставл ют бабашки дл захвата. По середине , на наружной поверхности заготовки нарезают кольцевой надрез, из вершины которого путем кругового изгиба

О

со со

СЛ

при жесткой фиксации стрелы прогиба выращивают кольцевую трещину заданной глубины. Затем заваривают кольцевой надрез исследуемым материалом и от- жигают заготовку с целью сн ти внутренних напр жений после сварки. В дальнейшем в заготовке высверливают глухое ступенчатое отверстие с резьбой в верхней части. При этом боль- ший его диаметр соответствует диаметру оставшегос сечени в плоскости исходной кольцевой трещины, а в нижней части меньшего диаметра отверсти на рассто нии 1-3 диаметров от навар- ного шва перпендикул рно к оси заготовки по толщине стенки высверливают второе отверстие, нарезают в нем резьбу и цекуют площадку на наружной поверхности . Финишными операци ми вл - ютс проточка заготовки в месте наварного шва и окончательна шлифовка наружной поверхности до заданного диаметра.

После осуществлени герметизации внутренней полости собранный образец устанавливают в захваты разрывной машины , ввинчивают в него штуцер, который через гибкий шланг подсоедин ют к нагнетателю давлени . Закачав во внутреннюю полость рабочую среду и ;оздав ею фиксированное внутреннее давление, образец подвергают статическому раст жению до окончательного разрушени .

После замера геометрических параметров разрушенного образца (Ол, D, d), а также значений разрушающего усили , сн того со шкалы разрывной машины дл каждого конкретного разрушенного образца, по формулам

К Y (Ј,Ј,); °

(О

Y(gg)-,

е-.с,; (i+f,) (i + e,JUгде KC - характеристика трещиностой

кости исследуемого материа- ла шва;

D0 - наружный диаметр образца} D - диаметр образца в плоскости внутренней кольцевой трещины ; Y - безразмерна функци , учитывающа относительный размер внутренней кольцевой трещи- ны в трубчатом образце (6 D/D0 ; Ј, d/D); d - диаметр ьнутреннего отверсти в трубчатом образце, определ ют трещиностойкость металла шва сосуда давлени .

На чертеже показана схема реализа-

ции способа определени усталостной прочности соединени наварного шва с цилиндром.

Последовательность операций следу юща .

Резьбовую пробку 1 с медной шайбой 2 ввинчивают в резьбовое отверстие корпуса 3 с определенным нат гом и тем самым герметизируют глухое отверстие . К нижней части корпуса в изго- товленное резьбовое отверстие на рассто нии 1-3 диаметров от наварного шва 4 ввинчивают через медную шайбу

Ј,)(+ ,4b/JЈj

u (2)

5 резьбовой штуцер 6. К последнему с помощью накидной гайки 7 подсоедин ют одним концом шланг 8 высокого давлени , а другой конец соедин ют с нагнетателем 9, величину давлени которого фиксирует манометр 10.

После закачки во внутреннюю по- лость рабочей среды и создани задан- ного давлени такой образец разрушают осевым раст жением. Во избежание разбрызгивани рабочей среды на наружную поверхность образца надевают камеру- кожух. Предлагаема конструкци устройства обеспечивает высокую герметичность и надежность при эксплуатации.

Пример. Опробование способа определени усталостной прочности сцеплени наварного шва с цилиндром провод т на материале основы из стали 45 в состо нии поставки. Из прутка 0 50 мм на токарном станке режут цилиндрические заготовки длиной 350 мм. Затем с двух сторон их центрируют и протачивают по наружной поверхности в средней части диаметра DO 42 мм так, чтобы по концам оставались бурты с галтел ми дл установки образца в захваты испытательной машины. По середине длины заготовки образца нарезают кольцевой надрез глубиной до

диаметра D 35 мм (радиус дна надреза ,1 мм). После этого на токарном станке путем кругового изгиба с вращением образца при жестко фиксированной стреле прогиба выращивают кольцевую трещину. Глубину кольцевой трещины довод т до диаметра d 30 мм. Затем кольцевой надрез заваривают электродом из стали Ст.З. Дл сн ти внутренних напр жений после сварки провод т нормализацию. После этого в заготовке высверливают ступенчатое отверстие диаметрами d 30 мм и d 16 мм. Глубина осевого отверсти от места наварного кольцевого шва сое- тавл ет 1-3 D9 с целью исключени вли ни кра перепада диаметров стенки образца на диаметрах d и d. при его разрушении.

Дл обеспечени герметизации внутренней полости корпуса заготовки в верхней части большего диаметра отверсти нарезают резьбу , a в нижней части меньшего диаметра - резьбу ,5-6G, окончательно протачивают наружную поверхность в месте наварного шва и шлифуют ее до 0 42 мм. После ввинчивани резьбовой пробки 1 и медной шайбы 2 в корпус 3, а также медной шайбы 5 со штуцером 6 в стенку цилиндра получают трубчатый образец с исходной внутренней кольцевой трещиной, пригодный дл определени усталостной прочности сцеплени наварного шва с цилиндром.

Опыты на статическое раст жение таких образцов провод т под высоким давлением (500 МПа) рабочей среды (машинного масла МС-20) на испытатель ной машине ИМ-50.

Замерив геометрические размеры DQ, D, d и определив со шкалы испытательной машины разрушаемую нагрузку F F дл разрушенного образца по формулам (1) и (2), определ ют трещиностой-- кость сцеплени сварного шва стали Ст.З с основой цилиндра стали 45.

Результаты этих -экспериментов при внутреннем давлении 500 МПа после испытаний 5 образцов по определению значений Кс представлены в табл.1. Там же, дл сопоставлени представлены зна- чени Ксдл таких же образцов, испытанных без внутреннего давлени , т.е.после испытаний в услови х лабораторного воздуха.

Понижение трсщиностойко IH К., дл , сварного шва, испытанного в присутствии внутреннего давлени , по сравнению с лабораторным воздухом (табл.1) объ сн етс дополнительным внутренним напр жением, вызванным давлением жидкой среды, что уменьшает разрушающую нагрузку в образце с трещиной. Кроме того, взаимодействие молекул машинного масла с ювенильными поверхност ми напр женного металла в вершине трещины следует усматривать в адсорбционно- расклинивающем эффекте (эффект Ребин- ),облегчающем процесс разрушени образца.

Таблица 1 Значени Кс металла шва стали Ст.З после статического раст жени трубчатых образцов

25 30

35

Б табл.2 представлены результаты ОПЫТОЕ по вы влению спада давлени во внутренней полости цилиндра и времени до окончательного разрушени образцов в присутствии фиксированного внутреннего давлени Q 550 МПа рабочей среды, после статического раст жени гладких трубчатых образцов однородного материала, с наружным кольцевым надрезом в сварном шве и образцов с внутренней кольцевой трещиной в материале сварного шва.

Как видно из табл.2, минимальной усталостной прочностью сцеплени металла шва (сталь Ст.З) с материалом основы цилиндра (сталь 45) обладают образцы с исходной внутренней кольцевой трещиной в материале наплавки (врем разрушени меньше в 6 раз по сравнению с временем разрушени гладкого образца).

Таблица 2 Значени UQ, t стали Ст.З после статического раст жени трубчатых образцов

15

120 60

130

20

Примечание. Толщина стенки трубы дл трех партий испытуемых - образцов одинакова и составл ет 3,5 мм.

В этом случае за счет максимального (критического) раскрыти трещины образуетс дополнительный объем &V во внутренней полости цилиндра, который независимо от величины фикси- рованного давлени дает почти посто нный спад давлени до момента стра- гивани исходной трещины. Дальнейшее распространение трещины до полного разрушени образца сопровождаетс спадом давлени к нулю. Следовательно, зна толщину стенки трубопровода и . глубину залегани внутреннего дефекта типа трещины, по величине спада фиксированного внутреннего давлени мож- но во времени следить за кинетикой усталостного разрушени сосуда давлени со сварным соединением в присутствии рабочей среды.

Дл проверки достоверности величи- ны спада внутреннего давлени Др за счет увеличени дополнительного объема V в полости цилиндра в момент критического раскрыти трещины а предшествующего , разрушению образца, ПР0Л, вод т аналитические расчеты. С этой цель к вычисл ют площадь- круга во внутренней полости цилиндра Sa и аналогичную площадь круга полости цилиндра в плоскости внутренней кольцевой трещины S, которые определ ют из соотношенийi

,2

л Л Н dp

S.

7d

(3)

0

5

0

5

где

I - внутренний диаметр отверсти трубы;

d - то же, с учетом глубины кольцевой трещины (d dfl + 2t, здесь С - глубина кольцевой трещины). Внутреннее давление Q в полости цилиндра с учетом формулы (3) и имеющегос первоначального давлени можно записать в виде

2

QO go - Qo d°

S d

Q

(A)

Теперь величину спада внутреннего давлени &Q определ ют из соотношени

&Q - QO - Q- (5)

Прирост площади U3 за счет имеющейс внутренней кольцевой трещины определ ют с учетом соотношени (1)

AS

S - S,

№

tfd

(6)

Прирост объема ДУ в момент критического раскрыти трещины S j. , при котором начинаетс разрушение трубчатого образца, определ ют из соотношени

Д2 л,2

Ду V - V0

W

.н - «|а,н . (7)

В формулах (5) - (7) следующие обозначени :

Q , Q - начальное и конечное давление в полости цилиндра соответственно;

Se, S - начальна и конечна площади круга внутренней полости цилиндра соответственно; Vfl, V - начальный и конечный объемы внутренней полости цилиндра соответственно; Н - единична высота полости. Зна геометрические параметры тручатого образца, формулу (7) можно зписать в виде

AV -1 e.&K).2frR.

(8)

где t - полудлина кольцевой трещины; ак раскрытие ее берегов на внутренней стенке трубчатого образца ;

R радиус внутреннего отверсти в трубчатом образце в плос- кости кольцевой трещины. Пример расчета: дано: Q 500МПа; 35 мм; d0 30 мм; Д& 130 МПа; йти: Q; &V; &S.

„

7dJ

3,14-30

708 мм ,

Л j

н d

3,14-35

966 мм

Q о. do 500«708 df5

368 МПа.

500 - 368 132 МПа. 966 - 708 158 МПа.

&V

)-2ftR (2,5-10) х

К 6,28-17,5 1,25-109 136 мм .

Величина раскрыти берегов надреза на внутренней стенке трубчатого образца $к 1 замер ют экспериментально на инструментальном микроскопе БИМ-7 после разрушени образца путем сложени 2 частей образца, которые разрезаны вдоль его оси. до половины диаметра образца.

Как видно из приведенных расчетов, значени A Qраец иАО,9кеп (табл.2) 40 близк.ие и сопоставимые между собой и наход тс в тесной взаимосв зи с приростом объема UV,.что свидетельствует о достоверности проделанных опытов на трубчатых образцах предлагаемой кон- 45 струкции.

0

5

0

5

0

5

0 5

Таким образом, предлагаемый способ определени усталостной прочности соединени наварного шва с цилиндром позвол ет не только эффективно определить количественную характеристику трещиностойкости (КЈ) металла шва сварного соединени , но и качест- венно вы вить во времени действие рабочей среды с заданным давлением на несущую способность сосуда давлени , трубопровода, следовательно, величину этого давлени нужно учитывать при эксплуатации на практике.

Claims

Формула изобретени

Способ определени прочности соединени наварного шва с цилиндром, заключающийс в том, что на наружной поверхности цилиндра выполн ют кольцевой остроугольный надрез, выращивают кольцевую трещину из вершины надреза путем нагружени образца, формируют- в надрезе наварной шов, снимают внутренние напр жени в области, выбирают зону концентрации напр жений у вершины трещины путем выполнени глухого осевого отверсти , диаметр которого равен внутреннему диаметру трещины, подвергают образец нагруже- нию и определ ют прочность соединени , отличающийс тем, что, с целью повышени точности при испытании соединений, работающих под действием гидравлических ударов, путем учета вли ни шовной зоны, осевое отверстие выполн ют ступенчатым с большей ступенью в зоне кольцевой трещины, а нагружение осуществл ют путем подачи в полость образца рабочей среды под давлением со стороны меньшей ступени отверсти до момента скачкообразного падени давлени в полости образца, по которому суд т о прочности соеди- нени .

8

10

ss/s s/ /////.

;;///