Введение к работе
Актуальность проблемы. Из анализа фактических случаев разрушения конструкций при низких температурах известно, что хрупкие и усталостные трещины начинаются преимущественно в сварных соединениях..Значительное влияние на зарождение и развитие разрушения оказывают остаточные напряжения. Одним из наиболее эффективных и универсальных методов послесва-рочной обработки сварных металлоконструкций, направленной на снижение, ' перераспределение или создание новой системы остаточных напряжений, является взрывная обработка сварных соединений с помощью шнуровых зарядов взрывчатого вещества. Сущность её заключается в том, что ударная волна сжатия, которая возникает вследствие детонации удлиненных зарядов взрывчатого вещества, располагаемых над линией сплавления шва с основным металлом, вызывает локальные пластические деформации металла, приводящие к образованию в поверхностном слое наклепа и благоприятному перераспределению и снижению остаточных напряжений.
Взрывная обработка повышает прочность конструкционной стали без исчерпания пластичности ввиду незначительного уровня остаточных деформаций; при этом возможно не только сохранение, но и улучшение характеристик сопротивления хрупкому разрушению. Из литературных данных известно, что после взрывной обработки сварных соединений низкоуглеродистых сталей возможно повышение сопротивления хрупкому разрушению и смещение критической температуры хрупкости в сторону низких температур. Этот положительный эффект объясняют в основном снижением остаточных напряжений и коэффициента перенапряжения, а также созданием сжимающих напряжений. Вместе с тем представляет интерес, каким образом эти факторы отражаются на развитии процесса разрушения, т.е. за счет чего достигается тот или иной уровень сопротивления хрупкому разрушению.
Метод взрывной обработки позволяет обрабатывать самые разнообразные типы сварных соединений, обходиться без дорогостоящего оборудования и затрат электроэнергии. Особенно перспективно применение взрывной обработки в полевых условиях, например, при строительстве магистральных трубопроводов, когда затруднена возможность использования других методов воздействия на напряженное состояние сварных соединении. В условиях Якутии, для территории которой характерна заболоченность, строительство таких трубопроводов осуществляется в холодное время года после замерзания грунта. Монтажные и ремонтные сварочные работы в зимнее время ведутся и на других объектах, что ставит вопрос о возможности и целесообразности осуществления послесварочной обработки взрывом при низких климатических температурах.
В связи с этим встает проблема исследования эффективности применения метода взрывной обработки для перераспределения послесварочных остаточных напряжений при низких температурах окружающей среды.
Проведение такого исследования требует прежде всего изучения характе-
pa перераспределения упругопластических деформаций после воздействия взрыва при отрицательных температурах, а также механических свойств обработанного материала (в частности, его сопротивления развитию хрупких трещин) с выявлением структурных изменений и особенностей разрушения.
Работа выполнена в рамках темы 1.11.5.2., раздел 5 программы фундаментальных исследований СО РАН "Научные основы машиностроения и надежности машин" (№ гос. регистрации 01900035500), а также программы РФФИ "р98 арктика" (№ проекта 98-01-03700).
Цель работы. Целью данной работы является обоснование возможности применения технологий взрывной обработки сварных соединении при низких температурах окружающей среды для повышения несущей способности сварных металлоконструкций в условиях северных регионов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методику и исследовать поля упруго-пластических деформаций в образцах конструкционной стали после взрывной обработки линейными зарядами взрывчатых веществ при различных температурах окружающей среды;
исследовать влияние температуры окружающей среды при взрывной обработке на структуру и механические свойства конструкционной стали;
исследовать влияние взрывной обработки сварных образцов с трещи-ноподобным дефектом на их уровень сопротивления хрупкому разрушению во взаимосвязи с микропроцессами разрушения;
провести взрывную обработку на холоде и исследовать напряженное состояние сварных соединений реальной конструкции (кольцевые сварные соединения трубопровода).
Научная новизна. В работе впервые получены количественные данные о перераспределении деформации около напряженно-деформированного следа взрывной обработки, для чего разработана методика определения остаточных упруго-пластических деформаций в металлических материалах при контактном взрыве детонирующего шнура, основанная на применении метода муаровых полос. Впервые экспериментально подтвержден положительный эффект при использовании технологии взрывной обработки линейными зарядами взрывчатых веществ в условиях естественно низких температур. Также новизну работы составляют данные по анализу уровня достигаемых механических характеристик во взаимосвязи с микропроцессами разрушения. Установлено, что рост сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений низколегированной стали с трещиноподобным дефектом после обработки взрывом обусловлен сменой основного микромеханизма разрушения и изменением кинетики его развития.
Практическая ценность и реализация результатов исследования. Полученные результаты являются научной основой для использования при раз-
личных температурах воздуха не только существующих технологий взрывного нагружения, но и для разработки новых. В частности, предложенная методика определения остаточных деформаций после взрывной обработки позволяет обеспечить контроль уровня её воздействия в каждом конкретном случае. Практическая ценность работы заключается в том, что расширяется температурный диапазон применения взрывной обработки при монтажной и ремонтной сварке в условиях Севера. Например, она может быть рекомендована для снижения и перераспределения остаточных сварочных напряжений н кольцевых швах магистральных северных трубопроводов при их прокладке по болотистой местности, которая обычно осуществляется после установления минусовых температур и подмерзания заболоченных почв.
Практическая реализация результатов исследований осуществлена в виде рекомендаций по применению взрывной обработки для перераспределения остаточных напряжений в кольцевых сварных швах трубопроводов при пони-.женных температурах воздуха и их апробировании на водоводе Тумул-Сырдах, Республика Саха (Якутия).
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых и специалистов ЯН1Д (г. Якутск, 1989 г.); на региональном семинаре" "Технология и качество сварки в условиях низких температур" (г. Якутск, 1997 г.); на международной конференции "Сварка, резка и обработка взрывом металлоконструкций" (г. Киев, 1990 г.); на Российской конференции "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г. Ижевск, 1998 г.); на семинаре, посвященном 80-летию со дня рождения М.Л.Бернштейна (г. Москва, 1999 г.); на международном симпозиуме "Новые материалы и технологии" (г. Байкальск, 1999 г.); на 5-ой международной конференции "Трубопроводы природного газа Северо-Восточной Азии: многостороннее сотрудничество" (г. Якутск, 1999 г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 9 публикациях (5 в центральных изданиях, 4 в местных изданиях).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Содержит 102 страницы машинописного текста, 42 рисунка, 4 таблицы, 81 наименование литературных источников и 2 приложения на 10 стр.
Во введении дана характеристика области исследования, проведено обоснование актуальности темы работы. Сформулированы цели и задачи диссертации.
В первой главе проведен обзор литературных данных о перераспределении остаточных напряжений при взрывной обработке, о влиянии ударно-волновой обработки на свойства сталей и сварных соединений при различных температурах. Рассмотрен вопрос о возможности применения метода муаровых полос для изучения нолей упругопластических деформаций в плоских образцах после подрыва шнуровых зарядов взрывчатых веществ.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной части работы. Приведен химический состав исследованных материалов, изложена методика изготовления образцов и проведения механических испытаний. Дано описание экспериментов по взрывной обработке и методов исследования структуры и поверхностей изломов. Рассмотрены методы нанесения растров на образцы. Разработана методика определения остаточных упруго-пластических деформаций в сталях при контактном взрыве детонирующего шнура, основанная на нанесении взрывостойких растров и использовании компьютерной расшифровки муаровых картин. Подробна изложена методика расшифровки муаровых картин.
В третьей главе определены остаточные упруго-пластические деформации в стали 3 после контактного взрыва детонирующего шнура. Исследовано перераспределение упруго-пластических деформаций около пластически деформированного следа взрывной обработки при различных температурах окружающей среды. Исследованы изменения структуры и механических свойств образцов после взрывной обработки при низких температурах.
В четвертой главе исследовано влияние взрывной обработки на сопротивление хрупкому разрушению сварных образцов с трещипоподобными дефектами. Показано увеличение характеристик трещиностойкости сварных соединений низколегированной стали и на основе изучения кинетики и микромеханизмов разрушения дан анализ факторов, определяющих полученный положительный результат.
В пятой главе представлены результаты практического использования работы: проведена взрывная обработка и исследовано перераспределение напряжений в кольцевых сварных соединениях (неповоротный стык и отвод компенсатора) трубопровода при температуре окружающей среды -8...-10"С.