Стальные вертикальные резервуары низкого давления
для нефти и нефтепродуктов

конструкция, проектирование, эксплуатация и ремонт

2.6.3.2. Статическая прочность сварных соединений

а) Соединение в стык.

Хорошо сваренные соединения в стык имеют весьма небольшую концентрацию напряжений у начала наплыва; поэтому прочность таких соединений при растяжении или сжатии в первую очередь зависит от прочностных характеристик, входящих в соединение наплавленного и основного металлов.

При сварке электродами Э34 предел (рис. 66) разрушения стыкового шва прочности наплавленного металла ниже предела прочности основного металла (стали 3); разрушение происходит по шву при напряжениях, близких к нормативному пределу прочности наплавленного металла. При сварке электродами Э42 элементов из стали 3, а также электродами Э50А элементов из низколегированных сталей пределы прочности наплавленного и основного металлов примерно одинаковы, и разрушение происходит как по шву, так и по основному металлу (рис. 66). Однако наплавленный металл вследствие возможности возникновения в нем непроваров, пор и других дефектов значительно разнороднее, с чем приходится считаться при назначении соответствующих расчетных сопротивлений. Модуль упругости наплавленного металла E = 1 800 000 кг/см2. 

Рис. 66. Разрушения стыкового шва

Прочность сварки под флюсом при марганцовисто-кремнистой проволоке одинакова с прочностью металла, наплавленного ручной сваркой при шлакообразующих электродах; при автоматической сварке шов более пластичен и имеет выраженную площадку текучести.

Рис. 67. Вывод стыкового шва за пределы рабочего сечения (выступ по окончании сварки срубается) 

Различия разделки кромок соединяемых элементов, в том числе и К-образных швов, не влияют на статическую прочность соединения и должны считаться несущественными. Начало и конец шва, место зажигания и гашения дуги часто оказываются дефектными, что может отразиться на прочности шва; эти места нужно выводить за пределы рабочего сечения (рис. 67). Пределы прочности шва и соединения мало зависят от температуры, при которой производятся сварочные работы. 

Рис. 68. Распределение напряжений вдоль флангового шва

Рис. 69. Разрушение флангового шва

б) Соединение угловыми швами. 

Фланговые швы приводят к неравномерному распределению напряжений по прикрепляемому сечению (в области прикрепления), так как они передают усилия только по кромкам сечения. По длине фланговые швы работают также неравномерно; наиболее интенсивна передача усилий по концам швов, где разность напряжений в соединяемых элементах наибольшая (рис. 68). По мере возрастания усилий неравномерность работы шва по длине выравнивается, однако не полностью, и фланговые швы разрушаются от концов к середине, примерно по биссектрисе сечения валика флангового шва (рис. 69). Разрушение происходит при небольших деформациях, пластическая работа шва слабо выражена. В соответствии с видом передачи усилия фланговые швы работают на срез и изгиб; вследствие значительной доли среза в работе шва модуль упругости флангового шва сравнительно невелик (700 000 - 1000000 кг/см2).

Работа фланговых швов связана с очень большой концентрацией напряжений у начала валика шва, резко меняющего форму сечения и весьма часто имеющего неровную поверхность. Концентрация напряжений у корня шва имеет меньшее значение, так как щель у корня продольная, Благодаря явлению концентрации напряжений разрушение соединения с фланговыми швами может быть двояким—по шву и по основному металлу у мест концентрации (рис. 70). Рассеяние величин сопротивления разрушению по шву очень большое: в среднем разрушающее сопротивление составляет около 30 кг/мм2 при электродах с ионизирующей обмазкой и около 35 кг/мм2 при шлакообразующих электродах. 

Рис. 71. Мероприятия по уменьшению концентрации напряжений у швов

а — плавный подход листа; б — обработка шва и обрез конца листа: е — острожка накладок: г — обработка поверхности шва

Рис. 72. Работа лобового шва

а—траектория напряжений; б—расчетная схема, e — концентрация напряжений;

Разрушение по основному металлу происходит хрупко, иногда со значительным снижением напряжений (до 25%). Особенно опасными в этом отношении являются сближенные фланговые швы, когда стыкуемые элементы расположены перпендикулярно друг к другу (рис. 71). Поэтому крайне существенны мероприятия по снижению концентрации напряжений. Такими мероприятиями являются: плавное примыкание привариваемой детали (рис. 71, а); механическая обработка (сглаживание) поверхности швов и конца детали (рис. 71, б и в), что особенно важно, когда свариваемые детали расположены перпендикулярно друг к другу; увеличение пологости шва или формирование его вогнутым (рис. 71, г).

Лобовые швы передают усилия более равномерно по ширине, чем фланговые, но крайне концентрированно вследствие малой ширины шва; в основном они работают на осевую силу, срез и изгиб (рис. 72). Работа их связана с очень большой концентрацией напряжений как от существенного искривления силовых линий при переходе усилия с одного элемента на другой, так и от наличия щели—прозора между соединяемыми элементами в корне шва. Соединение разрушается в основном по биссектрисе сечения валика шва (линия с—с) от равнодействующей отрывающих воздействий изгиба и осевой силы и сил среза; разрушение почти хрупкое, удлинение составляет 3—4%. Модуль упругости лобового шва Е»1500000 кг/см², предел прочности этих швов несколько выше предела прочности фланговых швов. Концентрация напряжений у корня шва присуща лобовому соединению и не может быть уменьшена; концентрация напряжений во входящем углу у начала валика может быть уменьшена путем обработки поверхности шва, а также увеличения пологости шва. Концентрация напряжений у начала лобового шва меньше, чем у начала флангового; поэтому разрушение основного металла у начала лобового шва случается реже, чем у фланговых швов.

Комбинированные соединения лобовых и фланговых швов (например, обварка по контуру, рис. 47, б) работают более равномерно, чем одни фланговые швы; пики напряжений фланговых швов существенно снижаются. Хотя модуль упругости лобовых и фланговых швов различен, перед разрушением напряжения выравниваются, и швы работают совместно. 

в) Влияние приварки дополнительных элементов на прочность сварного соединения.

Усиление стыкового шва накладкой не особенно эффективно вследствие явления концентрации напряжений, появляющейся у мест утолщения сечения; в неблагоприятных случаях возможно разрушение у начала накладок. Однако такое усиление является вынужденным с расчетной точки зрения, когда напряжения в основном металле больше допустимых для сварных швов. С точки зрения уменьшения концентрации напряжений, более рациональны прямоугольные накладки с обваркой по контуру; обварка одними поперечными швами лучше обварки одними продольными. При ромбических накладках (см. рис. 81, е) сосредоточение двух швов в углах может привести к трещинам. 

Рис. 73. Влияние привариваемых деталей на работу элемента. Искривление траектории напряжений 

Приварка различного рода деталей к элементу конструкции (например, к стержню) влияет на статическую прочность и работу элемента в связи с появлением в местах приварки концентрации напряжений, Вследствие разнообразия привариваемых деталей трудно дать общую характеристику этого влияния, основные причины которого состоят в том, что привариваемая деталь образует местное изменение рабочего сечения стержня, аналогичное выступу, и в соответствии с этим затрудняет его деформации, что приводит к хрупкости (рис. 73). Чем больше жесткость детали в направлении действия сил и чем больше угол, под которым она примыкает к элементу, тем концентрация напряжений больше. Поэтому крайне важно плавное примыкание деталей (рис. 71, а. б). Направление прикрепляющих швов (продольное, поперечное) большого значения не имеет; более существенно влияние концентрации швов. Снижение статической прочности, вообще говоря, невелико и редко бывает более 10%. но места концентрации напряжений и швов являются местами преимущественных разрушений. Весьма характерно снижение деформации при разрушении (до 3—4%).