Стальные вертикальные резервуары низкого давления
для нефти и нефтепродуктов

конструкция, проектирование, эксплуатация и ремонт

2.6.3.3. Вибрационная прочность сварных соединений

Общие закономерности вибрационной прочности, указанные в § 5 главы II, остаются в силе и для сварных соединений. Поскольку вибрационная прочность в значительной мере зависит от явлений концентрации напряжений, а эти явления в сварных соединениях весьма разнообразны и ярко выражены, вибрационная прочность сварных соединений получается весьма различной. Прежде всего вибрационная прочность зависит от типа соединения и связанной с ним формы соединения. Параллельно с этим вибрационная прочность в большой мере зависит от дефектов сварки и основного металла, а в соответствии с этим и от техно­логических факторов сварки. Непровары и пористости крайне резко снижают вибрационную прочность сварных соединений: так, пористость в 1% снижает вибрационную прочность на 30%, непровары в 5% площади в корне шва — на 50%.

Плотность шва является основой хорошей вибрационной прочности. Весьма плотный шов дает автоматическая сварка, которая и должна применяться в первую очередь. Вибрационная прочность понижается с увеличением областей напряженных (переохлажденных) структур к околошовной зоне; поэтому в конструкциях, работающих на вибрационную нагрузку, технология сварки должна быть так подобрана, чтобы размеры этих зон были наименьшими. В соответствии с этим следует избегать сварки на морозе в конструкциях, работающих на динамическую нагрузку. В то же время вибрационная прочность при понижении температуры повышается; поэтому надежная эксплуатация конструкций, хорошо сваренных и не имеющих повреждений, работающих на вибрационную нагрузку при пониженных температурах, вполне возможна. В ответственных конструкциях, работающих на динамическую нагрузку, должна применяться сталь 3 спокойная, поставляемая по подгруппе В, а также низколегированная, ввиду более высококачественной структуры этих сталей и малого вероятия появления в них горячих трещин, оказывающих очень большое отрицательное влияние на вибрационную прочность.

Разделка кромок и вид тока не влияют на вибрационную прочность, но для конструкций, работающих на вибрационную нагрузку, совершенно обязательна подварка корня. Как уже было отмечено, большое влияние на вибрационную прочность оказывает масштабный фактор, т. е. размеры элементов. Особенно это важно для сварных соединений; поэтому определение вибрационной прочности последних следует производить на больших образцах.

Повышению вибрационной прочности служат все мероприятия по снижению явления концентрации напряжений, охарактеризованные выше; некоторые из них показаны на рис. 71.

Разрушение от усталости сварных соединений происходит по основ­ному металлу в местах наибольшей концентрации напряжений.

Из изложенного следует, что рассеяние значений вибрационной прочности сварных соединений должно быть очень велико. Для соединений со стыковыми швами величина вибрационной прочности зависит от формы шва; она больше для швов со снятым наплывом. В этом случае предел усталости для соединений из стали 3 спокойной колеблется при шлакообразуюших электродах и наличии подварки корня в пределах от 20 до 14 кг/мм², при автоматической сварке — от 22 до 12 кг/мм² (последнее в более крупных образцах). При полном асимметричном цикле (см. рис. 18} вибрационная прочность соединения близка к пределу текучести и составляет 25 — 20 кг/мм²; наличие наплыва на стыковом шве снижает вибрационную прочность при полном симметричном цикле до 18 — 10 кг/мм², при полном асимметричном цикле — до 22 — 16 кг/мм². Отсутствие подварки корня (что не допускается Техническими условиями) снижает предел усталости до 8 — 6 кг/мм² и ниже при полном симметричном цикле. Вибрационная прочность соединений с угловыми швами весьма мала, поэтому в конструкциях, работающих на вибрационные нагрузки, применяются только улучшенные угловые швы: лобовые, обработанные и более пологие (с отношением катетов 1:1,5 и меньше): фланговые, обработанные, а при ручной сварке—вогнутые. При автоматической сварке достаточно, чтобы швы имели ровную поверхность. При соблюдении указанных условий вибрационная прочность лобовых швов, расположенных с двух сторон листа (например, прикрепляющих две накладки), может достигнуть значений: при полном симметричном цикле — 8 кг/мм². при асимметричном — 14 кг/мм². а при более пологих швах и выше. Обычные лобовые швы имеют вибрационную прочность при асимметричном цикле 12 — 8 кг1мм². Вибрационная прочность обработанных фланговых швов при полном симметричном цикле составляет 6 — 4 кг/мм², а при полном асимметричном цикле —12 —8 кг/мм², необработанных — соответственно 4 — 3 кг/мм² и 10 —6 кг/мм². Вибрационная прочность К - образных швов (см. рис. 51), близких по своей структуре к стыковым, более высока (примерно 15 кг/мм²). Такую же прочность имеют парные угловые швы в тавровом сечении, выполненном автоматической сваркой при полном проплавлении стенки. Весьма высокие коэффициенты концентрации у угловых швов (лобовых и фланговых) делают применение конструкций из низколегированной стали с рабочими соединениями на угловых швах при работе на вибрационную нагрузку мало рациональным, так как более высокая сто­имость стали не компенсируется уменьшением размеров элементов.

Приварка к элементу дополнительных деталей (выступающих фасонок, ребер и т. д.) отрицательно отражается на вибрационной работе элемента. Так, приварка к элементу двух выступающих фасонок, даже плавно подходящих к месту крепления элемента, снижает вибрационную прочность при отношении напряжений

с 22 до 17 кг1мм², т. е. примерно на 20%; замена такой фасонки прямоугольной или трапецеидальной уменьшает число циклов, необходимое для разрушения при указанном отношении напряжений и наибольшем напряжении 17 кг/мм², с 2000000 до 300—400 тыс., т. е. примерно а 5-6 раз.

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений в этих и аналогичных случаях могут быть приняты:

1) при прикреплении фасонок плавной криволинейной формы и обработки концов швов—1,5;

2) без обработки концов швов—2,7;

3) при прикреплении фасонок прямоугольной формы—2,3;

4) при прикреплении диафрагм и ребер авто­матической сваркой 1,5—1,9.