Прочность сварных стальных конструкций

Прочность сварных стальных конструкций при малоцикловом нагружении

Владимир Васильевич ЛАРИОНОВ, доктор технических наук, профессор, директор
ООО «ЦНИИ ПроектСтальКонструкция», 119607 Москва, Мичуринский просп., 37.

К циклически нагруженным сварным строительным конструкциям относятся в первую очередь кожухи и компенсаторы воздухонагревателей доменных печей, резервуары для хранения жидкостей и газов, подкрановые балки, мосты и другие пролетные строения под подвижные нагрузки, трубопроводы больших диаметров, газгольдеры и пр. Накопление усталостных повреждений в таких конструкциях происходит в сварных соединениях, которые становятся источником концентрации напряжений за счет конструктивной формы (изменение сечения, геометрия сварного шва) и наличия дефектов (подрезы, непровары, угловатость, депланация и т. п.).
Расчет строительных конструкций осуществляется в соответствии с СП 16.3330.2017 «СНиП 11-23-81* Стальные конструкции» (гл. 12, прил. К). Получаемые при этом уровни номинальной нагруженности сварных элементов и концентрации напряжений свидетельствуют о возникновении в зонах концентрации локальных пластических деформаций. При повторном характере внешней нагрузки они приводят к образованию трещины малоцикловой усталости.
Так, при обследовании воздухонагревателей доменных печей появление трещин в кожухе было зафиксировано после двух- трех лет эксплуатации, что соответствовало 5—6 тыс. циклов нагружения. В подкрановых балках тяжелого режима работы повреждения в виде поверхностных трещин вдоль угловых швов приварки верхнего пояса к стенке наблюдались при числе циклов до 2-105, или после четырех лет эксплуатации, в газгольдерах аэродинамических станций — после 4-104 циклов нагружения.
Опасность появления трещин малоцикловой усталости в сварных конструкциях связана с тем, что трещина может при определенном соотношении уровня нагрузки, климатической температуры эксплуатации, скорости нагружения и других факторов оказаться критической. Это приводит к катастрофическому хрупкому разрушению, которое может произойти в разный период эксплуатации в зависимости от наступления критического сочетания инициирующих факторов. В этом заключается определенное отличие в разрушении циклически нагруженных конструкций по сравнению со статистически нагруженными, основная масса аварий которых приходится на период эксплуатации с первыми похолоданиями. При дальнейшей эксплуатации таких конструкций число хрупких разрушений резко сокращается (рис. 1).
Для циклически нагруженных конструкций в первую зиму и во время испытаний разрушается только 34 % конструкций от общего числа зарегистрированных разрушений. При последующей эксплуатации, в течение примерно трех лет, разрушения отсутствуют, и затем число разрушений начинает увеличиваться с 4 до 10 % в год. Такой характер распределения разрушений конструкций под воздействием повторных нагрузок связан с необходимым периодом подрастания дефектов до критичных размеров, и поэтому в течение определенного периода разрушения не наблюдаются. При дальнейшей эксплуатации идет накопление повреждений и развитие трещин усталости до образования полного разрушения.
Для оценки малоцикловой прочности строительных сварных конструкций в рамках существующих расчетных схем необходимо располагать данными о нагруженности, значениях локальных напряжений, деформаций и о характеристиках сопротивления материалов малоцикловому разрушению при различных условиях эксплуатации. При этом следует иметь в виду как стадию работы конструкций до момента появления усталостных трещин, так и их работу при наличии и росте трещины.
В настоящее время для большинства циклически нагруженных строительных конструкций характер воздействия внешних нагрузок достаточно изучен. Исследования показывают, что типичными являются стационарный и нестационарный режимы переменных нагрузок. К стационарно нагруженным конструкциям относятся в первую очередь воздухонагреватели доменных печей, трубы большого диаметра магистральных газо- и нефтепроводов и др. На рис. приведен пример записи изменения давления и деформации в стенке воздухонагревателя в процессе эксплуатации. Видно, что нагружение происходит с постоянной амплитудой номинальных напряжений и деформаций. При этом коэффициент асимметрии цикла г сохраняется постоянным (r = 0,2). Статическая составляющая цикла, связанная с распором футеровки, с течением времени может несколько изменяться, однако в первом приближении это изменение можно не учитывать. В зависимости от технологии рабочего процесса число циклов нагружения воздухонагревателя в сутки может изменяться от четырех до восьми, и тогда за 20 лет эксплуатации при непрерывной работе соответствующее число циклов составит 30—60 тыс.
Для магистральных газо- и нефтепроводов повторность нагрузки связана с периодическими сбросами давления за счет различных технологических и эксплуатационных факторов (отключение насосно-перекачивающей станции из-за отказов электрооборудования и механического оборудования, изменение режимов перекачки и т. п.) и достигает на отдельных участках в среднем до 300 циклов в год, при этом цикл изменения давления близок к пульсирующему.
Примером нестационарной нагруженности может служить спектр нагрузок подкрановых балок и газгольдеров аэродинамических станций. Автоматическая запись изменения давления в газгольдере показана на рис. 3. Видно, что имеет место большое число циклов с малыми амплитудами наряду со значительным изменением избыточного давления (иногда от нуля до расчетного значения).
Нагруженность подкрановых балок зависит от трех переменных — вес груза на крюке крана, положение тележки на мосту крана и самого моста на подкрановой балке. На рис. 4 дано распределение вертикальных нагрузок на подкрановую балку в долях от наибольшей нормативной нагрузки от одного крана. Из приведенных данных видно, что в 10 % случаев повторных нагрузок их значения достигают величины, равной 0,8 наибольшего нормативного значения. Доля накопленных малоцикловых повреждений будет в первую очередь определяться этими максимальными нагрузками и числом их повторения за период эксплуатации.
Примером конструкций, работающих в малоцикловой области нестационарных нагрузок, могут служить разборные металлические мосты, представляющие большой практический интерес при освоении труднодоступных районов. Минимальные весовые показатели и ускоренные темпы возведения требуют допущения в конструкциях мостов пластических деформаций с целью максимального использования материала, что при циклическом характере нагрузки ограничивает ресурс их работы сопротивлением малоцикловому разрушению.
Таким образом, малоцикловое нагружение с большими амплитудами давления сочетается с циклическим нагружением с относительно более высокими частотами и меньшими амплитудами. Доля накопленных за определенный период эксплуатации мало- и многоциклового повреждений будет зависеть от величины коэффициента концентрации напряжений, определяющего уровень местных напряжений в зонах разрушения.

Скачать и распечатать полную версию

Комментарии закрыты.