Способ определения прочности соединения наварного шва с цилиндром

 

Изобретение относится к способам определения прочности соединения наварного шва с цилиндром. Цель изобретения - повышение точности при испытании соединений, работающих под действием гидравлических ударов путем учета влияния шовной зоны. Способ заключается в том, что создают надрез на наружной поверхности цилиндра, формируют в этом надрезе наплавку и подвергают цилиндр осевому растяжению до разрушения. Надрез выполняют коническим с острым углом при вершине , создают в полости цилиндра фиксированное внутреннее давление и по величине его спада определяют время до разрушения. 1 ил.

СОЮЗ СОНЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (g1)$ 6 О! и 3/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П<НТ СССР (21) 4401936/28 (22) 01.04.88 (46) 28.02.91. Бюл. Р 8 (71) Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) Н.С.Когут, В.Д.Мигус и В.С.Бохняк (53) 620.178.6 (088.8) ! (56) Авторское свидетельство СССР

N 1099237, кл. G 01 N 3/32, 1984. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ НАВАРНОГО ШВА С ЦИЛИНДРОМ (57) Изобретение относится к способам определения прочности соединения наИзобретение относится к машиностроению, в частности к испытаниям материалов на механические свойства, и может быть использовано при испытаниях сварных швов на прочность в изделиях типа сосудов давления, трубопроводов путем определения характеристики трещиностойкости в присутствии рабочих сред и высоких давлений.

Цель изобретения — повышение точности при испытании соединений, ра-. ботающих под действием гидравлических ударов, путем учета влияния шовной зоны.

Способ определения усталостной прочности соединения наварного maa. с цилиндром заключается в том, что создают надрез на наружной поверхности цилиндра. Формируют в этом над"

„„SU„„16 1 5О А1

2 варного шва с ципиццром. Цель изобретения — повышение точности при испытании соединений, работающих под действием гидравлических ударов путем учета влияния шовной зоны. Способ заключается в том, что создают,надрез на наружной поверхности цилиндра, формируют в этом надрезе наплавку и подвергают цилиндр осевому растяжению до разрушения. Надрез выполняют коническим с острым углом при вершине,. создают в полости цилиндра фиксированное внутреннее давление и по величине его спада определяют время до разрушения. 1 ил. резе наплавку и подвергают цилиндр осевому растяжению до разрушения.

Надрез выполняют коническим с острым углом при вершине. Образуют внутрен-. нюю трещину в материале шва (наплавки). Создают в полости цилиндра фик" сированное внутреннее давление и по величине его спада определяют время до разрушения.

Способ реализуется следующим образом.

Из пруткового материала режут заготовки заданного размера. Среднюю часть заготовки до необходимого диаметра протачивают, а по концам оставляют бабашки для захвата. По середине, на наружной поверхности заготовки нарезают кольцевой надрез, из вершины которого путем кругового изгиба

1631350

1,128 Г (2) (ef ) (1.

1 при жесткой фиксации стрелы прогиба выращивают кольцевую трещину заданной глубины. Затем заваривают кольцевой надрез исследуемым материалом и от5 жигают заготовку с целью снятия внутренних напряжений после сварки. В дапьнейшем в заготовке высверливают глухое ступенчатое отверстие с резьбой в верхней части. При этом больший era диаметр соответствует диаметру оставшегося сечения в плоскости исходной кольцевой трещины, а в нижней части меньшего диаметра отверстия на расстоянии 1-3 диаметров от навар- 15 ного шва .перпендикулярно к оси заготовки по толщине стенки высверливают второе отверстие, нарезают в нем резьбу и цекуют площадку на наружной поверхности. Финишными операциями явля- 20 ются проточка заготовки в месте наварного шва и окончательная шлифов-. ка наружной поверхности до заданного диаметр а.! где К вЂ” характеристика трещиностойС кости исследуемого материала шва;

D . - наружный диаметр образца;

D - диаметр образца в плоскости внутренней кольцевой трещины; 35

Y - безразмерная функция, учитывающая относительный размер внутренней кольцевой трещины в трубчатом образце (Я =

О/О, f „д/D);

- диаметр внутреннего отверстия в трубчатом образце, определяют трещиностойкость металла шва сосуда давления.

На чертеже показана схема реализа- 45 ции способа определения усталостной прочности соединения наварного шва с цилиндром.

Последовательность операций следуЧ ющая, Резьбовую пробку 1 с медной шайбой

2 ввинчивают в реэьбовое отверстие корпуса 3 с определенным натягом и тем самым герметизируют глухое отверстие. К нижней части корпуса в изготовленное резьбовое отверстие на расстоянии 1-3 диаметров от наварного шва 4 ввинчивают через медную шайбу

Ф

После осуществления герметизации внутренней полости собранный образец устанавливают в захваты разрывной машины, ввинчивают в него штуцер, который через гибкий шланг подсоединяют к нагнетателю давления. Закачав sot внутреннюю полость рабочую среду и создав ею фиксированное внутреннее давление, образец подвергают статическому растяжению до окончательного разрушения.

После замера геометрических параметров разрушенного образца (О, О, d) а также значений разрушающего усилия F=F, снятого со шкалы разрывФ ной машины для каждого конкретного разрушенного образца, по формулам

5 резьбовой штуцер 6, К последнему с помощью накидной гайки 7 подсоединяют одним концом шланг 8 высокого давления, а другой конец соединяют с нагнетателем 9, величину давления которого фиксирует манометр 10.

После закачки во внутреннюю полость рабочей среды и создания задан ного давления такой образец разрушают осевым растяжением. Во избежание разбрызгивания рабочей среды на наружную поверхность образца надевают камерукожух, Предлагаемая конструкция устройства обеспечивает высокую герметичность и надежность при эксплуатации.

Пример. Опробование способа определения усталостной прочности сцепления наварного шва с цилиндром проводят на материале основы из стали

45 в состоянии поставки. Из прутка

9 50 мм на токарном станке режут цилиндрические заготовки длиной 350 мм.

Затем с двух сторон их центрируют и протачивают по наружной поверхности в средней части диаметра D = 42 мм так, чтобы по концам оставались бурты с галтелями для установки образца

Ъ в захваты испытательной машины, По середине длины заготовки образца нарезают кольцевой надрез глубиной до

41,5

36,7

5 163135 диаметра D = 35 мм (радиус дна надреза ) 0,1 мм). После этого на токарном станке путем кругового изгиба с вращением образца при жестко фиксиро—

5 ваннои стреле прогиба выращивают кольцевую трещину. Глубину кольцевой трещины доводят до диаметра d = 30 мм.

Затем кольцевой надрез заваривают электродом из стали Ст.3. Для снятия внутренних напряжений после сварки проводят нормализацию. После этого в заготовке высверливают ступенчатое отверстие диаметрами и = 30 мм и и

16 мм. Глубина осевого отверстия от места наварного кольцевого шва составляет 1-3 Dä с целью исключения влияния края перепада диаметров стен-, ки образца на диаметрах Й и d npu ( его разрушении.

Для обеспечения герметизации внутренней полости корпуса заготовки в. верхней части большего диаметра отверстия нарезают резьбу М32"2-6G, а в нижней части меньшего диаметра — 25 резьбу М18 1,5-6G, окончательно протачивают наружную. поверхность в месте наварного шва и шлифуют ее до

9 442 2 мммм, После ввинчивания резьбовой пробки 1 и медной шайбы 2 в корпус 3, 30 а также медной шайбы 5 со штуцером 6 в стенку цилиндра получают трубчатый образец с исходной внутренней кольцевой трещиной, пригодный для определения усталостной прочности сцепления наварного шва с цилиндром.

Опыты на статическое растяжение таких образцов проводят под высоким давлением (500 МПа) рабочей среды (машинного масла MC-20) на испытатель- 40 ной машине HM-50.

Замерив геометрические размеры П

D, d и определив со шкалы испытательной машины разрушаемую нагрузку F = F 45

Ф дпя разрушенного образца по формулам (1) и (2), определяют трещиностой- кость сцепления сварного шва стали

Ст.3 с основой цилиндра стали 45.

Понижение трещиностойко .ти КГ для сварного шва, испытанного в IIpHcvTcT вии внутреннего давления, по сравнению с лабораторным воздухом (табл.1) объясняется дополнительным внутренним напряжением, вызванным давлением жидкой среды, что уменьшает разрушающую нагрузку в образце с трещиной. Кроме того, взаимодействие молекул машинно- го масла с ювенильными поверхностями напряженного металла в вершине трещины следует усматривать в адсорбционнорасклинивающем эффекте (эффект Ребиндефа),облегчающем процесс разрушения образца.

Таблица 1

Значения Кс металла шва стали

Ст.3 после статического растяжения трубчатых образцов

В табл.2 представлены результаты опытоп по выявлению спада давления во внутренней полости цилиндра и времени до окончательного разрушения образцов в присутствии фиксированного внутреннего давления Q = 550 МПа рабочей среды, после статического растяжения гладких трубчатых образцов однородного материала, с наружным кольцевым надрезом в сварном шве и образцов с внутренней кольцевой трещиной в материале сварного шва.

Результаты этих экспериментов при внутреннем давлении 500 МПа после ис- . пытаний 5 образцов по определению значений К представлены в табл.1. Там же. для сопоставления представлены значения К для такихже образцов, испытанных без внутреннего давления, т. е. после испытаний в условиях лабораторного воздуха.

Как видно из табл,2,минимальной усталостной прочностью сцепления металла шва (сталь Ст.3) с материалом основы цилиндра (сталь 45) обладают образцы с исходной внутренней кольцевой трещиной в материале наплавки (время разрушения меньше в 6 раэ по сравнению с временем разрушения гладкого образца), 1631350 (3) Время разрушения

t, с

Состояние конСпад внутреннего давления

Щ, MIIa струкции испытуемого образца

1О

Образец без 5 сварного шва

120

Образец с внутренним кольцевым надрезом в сварном шве

20

Образец с 130 внутренней кольцевой трещиной в сварном шве

25 где

Таблица 2

Значения g Q, t стади Ст. 3 после статического растяжения трубчатых образцов

Примечание. Толщина стенки трубы для трех партий :испытуемых образцов одинаковая и составляет 3 5 мм.

В этом случае за счет максимального (критического) раскрытия трещины образуется дополнительный объем д7 во внутренней полости цилиндра, который независимо от величины фиксированного давления дает почти постоянный спад давления до момента страгивания исходной трещины. Дальнейшее распространение трещины до пблного разрушения образца сопровождается спа-4 дом давления, к нулю. Следовательно, зная толщину стенки трубопровода и глубину залегания внутреннего дефекта типа трещины,, по величине спада фиксированного внутреннего давлейия мож- 45 но во времени следить за кинетикой усталостного разрушения сосуда давления со сварным соединением в присутствии рабочей среды.

Для проверки достоверности величи-.,50 ны спада внутреннего давления Щ эа счет .увеличения дополнительного объема-gV в полости цилиндра в момент кри. тического раскрытия трещины 5 1, предшествующего, разрушению образца, про-, водят аналитические расчеты. С этой целыд, вычисляют площадь круга во внутренней полости цилиндра So и аналогичную площадь круга полости цилинд.ра в йлоскости внутренней кольцевой трещины S, которые определяют из со,отйошений ъ 2

0 о о 4 где d — внутренний диаметр отверс0 тия трубы;, d. †. то же, с учетом глубины кольцевой трещины (d

= d + 26, здесь С вЂ” глубина кольцевой трещины).

Внутреннее давление Q в полости цилиндра с учетом формулы (3) и имеющегося первоначального давления можно записать в виде

Оо 80 Чо d0 4) дг

Теперь величину спада внутреннего давления Д 0 определяют из соотношения

М(= о — ((5)

Прирост площади 58 за счет имеющейся внутренней кольцевой трещины определяют с учетом соотношения (1) Л 2

1 1 о о 4 4 (6) Прирост объема ДV в момент критического раскрытия трещины g<, при котором начинается разрушенйе трубчатого образца, определяют из соотношения л,2

Ьч=v vî = н- — н,(7) 0 4 4

В формулах (5) — (7) следующие обозначения:

Q — - начальное и конечное давление в полости цилиндра соответственно;

S0, S — начальная и конечная площади круга внутренней полости ци линдра соответственно>

Чо, V — начальный и конечный объемы внутренней полости цилиндра соответственно;

Н вЂ” единичная высота полости.

Зная геометрические параметры трубчатого образца, формулу (7) можно записать в виде: Ч вЂ” (8 3„) 2 " к, (8)

Ъ

L — полудлина кольцевой трещины;

8„- раскрытие ее берегов на внут1631350

10 ренней стенке трубчатого образца;

R — радиус внутреннего отверстия в трубчатом образце в плос-. .5 кости кольцевой трещины.

Пример расчета: дано: Q = 500 МПа;

d = 35 мм; do = 30 мм; 6Я = 130 MIa;

Найти: Q; $V; gS.

Яд Зч 14 30 о 4 4

708 мм ий 31435

= 966 мм

Формула изобретения

Q — 368 МПа.

500 30

20 †.Sî = 966 — 708 = 158 МПа.

25 (V = — -(3 3„) 2 R = — (2 5 10) х

2 в

Беличина раскрытия берегов надреза 30 на внутренней стенке. трубчатого образца 3< = 1 замеряют эксперименталь— но на инструментальном микроскопе

БИМ-7 после разрушения образца путем сложения 2 частей образца, которые разрезаны вдоль его оси, до половины диаметра образца.

Как видно из приведенных расчетов, значения b Q ранец и Ь Я з я (табл. 2) 40 близкие и сопоставимые между собой и находятся в тесной взаимосвязи с приростом объема Ч,,что свидетельствует о достоверности проделанных опытов на трубчатых образцах предлагаемой кон- 45 струкции.

Qo So Q î do 500 708 а

hQ = Q — Q = 500 — 368 = 132 МПа. 6,28 17,5 = 1,25 109 = 136 мм

Таким образом, предлагаемый способ определения усталостной прочности соединения наварного шва с цилиндром позволяет не только эффективно определить количественну характеристику трещиностойкости (Кс) металла шва сварного соединения, но и качественно выявить во времени действие рабочей среды с заданным давлением на несущую способность сосуда давления, трубопровода, следовательно, величину этого давления нужно учитывать при эксплуатации на практике.

Способ определения прочности соединения наварного шва с цилиндром, заключающийся в том, что на наружной поверхности цилиндра выполняют кольцевой остроугольный надрез, выращивают кольцевую трещину из вершины надреза путем нагружения образца, формируют.в надрезе наварной шов, снимают внутренние напряжения в области, выбирают зону концентрации напряжений у вершины трещины путем выполнения глухого осевого отверстия, диаметр которого равен внутреннему диаметру трещины, подвергают образец нагружению и определяют прочность соединения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при испытании соединений, работающих под действием гидравлических ударов, путем учета влияния шовной зоны, осевое отверстие выполняют ступенчатым с большей ступенью в зоне кольцевой трещины, а нагружение осуществляют путем подачи в полость образца рабочей среды под давлением со стороны меньшей ступени отверстия до момента скачкообразного падения давления в полости образца, по которому судят о прочности соеди-нения.

1631350

Составитель Г.Лукашевич

Техред Л.Сердюкова. - Корректор О,Ципле

Редактор И. Касарда Заказ 537 Тираж 387 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно--издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101