Методы устранения остаточных напряжений при сварке

Thread Content

Остаточные напряжения. После сварки сосудов под давлением в зоне сварных швов структуры возникают остаточные напряжения. Это происходит из-за внутренних напряжений, возникающих в результате неравномерного нагрева материала во время сварки; эти напряжения превышают предел пластичности материала, что приводит к пластической деформации отдельных участков. Когда температура снова становится равномерной, внутренние напряжения остаются в структуре материала. Поэтому их называют остаточными напряжениями. Величина пика остаточных напряжений при сварке и их распределение напрямую влияют на усталостное разрушение контейнеров, а также на возникновение коррозионного разрыва под действием напряжений. Исследования показали, что после сварки в контейнерах неизбежно возникают остаточные напряжения. Механизм их возникновения уже в определенной степени изучен. Однако из-за различий в габаритах резервуаров, методах сварки, процедурах выполнения сварочных работ, а также степени ограничений, остаточные напряжения имеют сильно разный уровень, причем их распределение является крайне сложным. Поэтому необходимо найти эффективные способы устранения (или снижения) остаточных напряжений, чтобы при производстве резервуаров обеспечивалось качество и экономическая целесообразность, а в процессе эксплуатации — безопасная работа и предотвращение аварий. Метод перегрузки: в контролируемых условиях на резервуар оказывается одна (или несколько) внешних нагрузок, немного превышающих те, что действуют при его нормальной работе. Напряжения, возникающие под действием этой нагрузки, суммируются с остаточными напряжениями от сварки в данной области контейнера. Когда суммарные напряжения меньше предела пластичности материала, состояние остается эластическим, причем существует линейная зависимость между напряжением и деформацией. Когда суммарные напряжения достигают предела пластичности материала, в соответствующей области происходит пластическая деформация. По мере увеличения внешнего напряжения объем области, в которой происходит пластическая деформация, также увеличивается, но само значение напряжения не увеличивается (или увеличивается незначительно). Поскольку сам контейнер является непрерывной конструкцией, в процессе снятия внешних нагрузок зоны пластической деформации и зоны эластичной деформации одновременно возвращаются в свое эластичное состояние. Остаточные напряжения, возникшие в результате сварки внутри контейнера, частично устраняются. Величина устраненных остаточных напряжений равна величине напряжений, возникших под действием внешних нагрузок. Метод целостной термообработки заключается в нагреве всего сварного контейнера с определенной скоростью до температуры 500°C–Ac1, после чего он поддерживается при этой температуре в течение определенного времени. Это позволяет деформированному металлу заново кристаллизоваться и образовать новые изометрические кристаллы. В результате различные кристаллические дефекты устраняются, прочность металла снижается, а прочность на изгиб повышается. Это способствует снижению и устранению остаточных напряжений, возникших в результате сварки. Конструкция сосудов под давлением, как правило, довольно крупная, поэтому их невозможно помещать в печь для термообработки, как это делается с другими небольшими устройствами или механическими деталями. Можно покрыть внешнюю стенку контейнера изоляционным слоем, а внутри контейнера подавать топливо для сгорания с целью создания высокой температуры для нагрева — это метод внутреннего сгорания. Также можно использовать электрическое нагревание для полной термообработки контейнера. Метод локальной термообработки основан на том же принципе, что и метод целостной термообработки. В настоящее время для нагрева зоны сварного соединения чаще всего используются инфракрасные панельные нагреватели или резистивные нагреватели с гусеничным ходом. Поскольку происходит локальный нагрев, эффект устранения остаточных напряжений меньше, чем при целостной термообработке. Удается лишь снизить пиковые значения внутренних напряжений и сделать их распределение более равномерным, но полностью устранить их невозможно. Однако локальная термообработка может улучшить механические свойства сварных соединений. Объектами такой обработки обычно являются довольно простые сварные соединения. Метод растяжения под действием разницы температур — это способ устранения остаточных напряжений в зоне сварки, основанный на использовании теплового эффекта, возникающего при разнице температур, для создания обратного напряженностного поля. Ключом к эффективности этого метода является выбор разницы температур Δt; Δt зависит от предела пластичности материала σs, модуля упругости E и коэффициента теплового расширения β. При правильном выборе зоны нагрева и значения Δt можно добиться хорошего эффекта устранения напряжений. Этот эффект может составлять от 50% до 70%. Метод имеет определенную практическую ценность при обработке листовых и коробчатых конструкций, у которых швы имеют правильную форму, а толщина не слишком велика. При этом не происходит пластической деформации, что предотвращает потерю пластичности металла, а также не нарушается его микроструктура. Метод ударов: под действием быстрых и равномерных ударов металл шва подвергается поперечному пластическому растяжению, что позволяет частично компенсировать сжатие шва. В результате этого снижаются упругие деформации, связанные с остаточными напряжениями в зоне сварки; таким образом, остаточные напряжения могут быть частично устранены. Метод взрыва заключается в подрыве установленных вдоль шва и в его окрестностях взрывчатых веществ. Благодаря взаимодействию ударной волны, возникающей в момент взрыва, с остаточными напряжениями, металл подвергается определенной степени пластической деформации, в результате чего остаточные напряжения снижаются. Метод взрывной обработки позволяет не только эффективно устранять остаточные напряжения от сварки, но и создавать в обрабатываемой зоне определенное количество сжимающих напряжений. Это способствует повышению устойчивости сварного соединения к разрушению под действием растягивающих напряжений. В то же время термообработка не может справиться с этой проблемой. Метод взрыва обладает уникальными преимуществами для устранения остаточных напряжений при ремонте сварных швов в рамках диагностического осмотра эксплуатируемых сосудов под давлением.