яндекс счетчик
Пн - Пт: 08.00 - 16.30
Республика Татарстан,
г. Набережные Челны,
пос. Сидоровка,
улица Магистральная, д.16

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.

На этом сайте используются файлы cookie. Продолжая просмотр сайта, вы разрешаете их использование. Подробнее. Закрыть