автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающей технологии изготовления элементов нефтехимической аппаратуры типа охватывающих и охватываемых цилиндров

г>7' :: !

! Государственный комитет РСФСР по науке и высшему

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ТИПА ОХВАТЫВАЮЩИХ И ОХВАТЫВАЕМЫХ ЦИЛИНДРОВ

Специальность: 05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

образованию

Уфимский нефтяной институт

На правах рукописи

Абдуллин Рафиль Сайфуллович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Уфа - 1991

Работа выполнена в производственном объединен™ САЛАВАТНЕФ1Е0РГСИНТЕЗ и Уфимском нефтяном институте

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор Зайнуллин P.C. Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Кузеев И.Р. - кандидат технических наук доцент Гумеров K.M.

Ведущее предприятие - Уфимский филиал Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института нефтяного машиностроения (ШИИНЕФТЕМАШ)

Защита состоится " 31 "_января__199 2 г.

в_часов на заседании специализированного Совета

(Д 063.09.03) в Уфимском нефтяном институте по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, I.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в архиве Уфимского нефтяного института. Диссертация в форме научного доклада разослана "_" декабря 1991 г.

Ученый секретарь специализированного Совета д-р техн. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокая металлоемкость оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств обостряет проблему современной дефицитности материалов. Поэтому, разработка ресурсосберегающей технологии изготовления оборудования, и в частности нефтехимических аппаратов, отвечает коренным проблемам народного хозяйства страны.

Типичным конструктивным элементом нефтехимической аппаратуры является соединение типа охватывающих и охватываемых цилиндров, которое, как правило, выполняется сваркой. Материалоемкость и работоспособность таких соединений во многом определяется совершенством методов обработки заготовок на всех стадиях технологического процесса изготовления аппаратуры и ее элементов. При этом особую роль играют вопросы рациональной обработки кромок, правильного выбора способов и режимов сварки и др.

Сварные соединения элементов типа охватывающих и охватываемых цилиндров составляют значительную долю таковых в нефтехимических аппаратах, в связи с этим, разработка технологических методов снижения материалоемкости при одновременном обеспечении их качества и работоспособности является актуальной проблемой нефтяного и химического аппаратостроения, а их внедрение в производстве даст значительный экономический эффект, не только от экономии сварочных материалов, но и от повышения производительности труда, снижения электроэнергии и др.

Цель работы. На основании изучения закономерностей напряженно-деформированного состояния и прочности сварных соединений разработать ресурсосберегающую технологию изготовления элементов нефтехимических аппаратов, основанную на рациональном выборе геометрии обработки кромок.

Научная новизна работы заключается в том, что на базе современных методов исследования (фотоупругость и тензометрирование моделе * и натурных сварных сосудов; методы конечных элементов и механики разрушения; лабораторные и натурные испытания при статическом и малоцикловом нагружениях и др.) установлены аналитические зависимости характеристик работоспособности с геометрическими параметрами формы разделки кромок и сварных швов элементов типа охватывающих и охватываемых цилиндров нефтехимической аппаратуры.

Практическая ценность: —предложен, обоснован и внедрен в производстве способ изготовления элементов типа охватывающих и охватываемых цилиндров, обеспечивающий снижение металлоемкости сварных швов, по крайней мере, в два раза в сравнении с существующей технологией;

—разработан метод оценки прочности сварных соединений элементов типа охватывающих и охватываемых цилиндров;

—экономический эффект от внедрения разработанной технологии, подтвержденный соответствующими документами, составляет более 50000 руб.;

•результаты исследования легли в основу разработанного стандарта предприятия СТО 0(0<СН-20490-р1/Выбор параметров угловых швов элементов нефтехимической аппаратуры типа охватывающих и охватываемых цилиндров/.

Апробация работы. Диссертация заслушана и рекомендована на научно-техническом Совете ПО "Салаватнефтеоргсинтез" и научном семинаре кафедры нефтяного аппаратостроения Уфимского нефтяного института.

Результаты работы докладавались на Всесоюзном ежегодном семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (ноябрь 1991 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в трех печатных работах.

Структура работы. Диссертация в форме научного доклада содержит три раздела.

В первом разделе дается технико-экономическое обоснование предложенной технологии изготовления элементов типа охватывающих и охватываемых цилиндров.

Во втором разделе приводятся результаты исследования напряженного состояния, статической хрупкой и вязкой прочности сварных соединений, выполненных по предложенной технологии.

Третий раздел работы посвящен анализу проведенных натурных испытаний сварных соединений типа охватывающих и охватываемых цилиндров в условиях статического и малоциклового нагружения.

Научный доклад завершается изложением основных выводов.

I. Технико-экономическое обоснование ресурсосберегающей технологии изготовления элементов нефтехимической аппаратуры

1.1. Объект исследования. Результаты работы в основном распространяются на соединения двух обечаек, выполненные электродуговой сваркой внахлестку одним швом, а также мпгут быть использованы при выполнении соединений: колец жесткости на цилиндрических аппаратах; обечайки с плоским днищем или фланцем; труб в трубную решетку и др.

Анализ литературных данных показывает, что в плане работоспособности рассматриваемые соединения относятся к весьма сложным конструктивным элементам. Пониженная работоспособность соединений внахлестку объясняется возникновением дополнительных из-гибных и из-за наличия концентраторов (корень ива и область перехода от свободной поверхности шва к основному металлу) налря-

о

жений. Отсюда вытекают следующие основные пути повышения работоспособности:

-увеличение площади поперечного опасного сечения шва; —выбор рациональных способов и режимов сварки, обеспечивающих более глубокое проплавление металла в корне шва и плавное сопряжение металла шва и основного металла;

—применение сварочных материалов, формирующих шов с высокой трещиностойкостью и др.

1.2. Ресурсосберегающая технология

Угловые швы соединений типа охватывающих и охватываемых цилиндров часто выполняются равнокатетными и без обработки кромок. При этом угол перехода от свободной поверхности шва к основному металлу равен 135° ( £> = 135°). В дальнейшем такие швы будем называть стандартными.

С целью снижения металлоемкости угловых швов предлагается производить разделку кромок одного из сопрягаемых цилиндров в соответствии с рис. 1,а. Если параметр а> 0, то наряду со снижением металлоемкости шва можно повышать прочность соединения. Однако, следует иметь в виду, что при малых углах разделки возможен непровар в корне шва. В связи с этим для повышения прочности шва целесообразнее производить одностороннюю разделку кромок с углом а . При невозможности разделки кромок прочность соединения можно повышать путем наложения дополнительных слоев (при СX = 90°), что равносильно увеличению угла £ . Очевидно, что для стандартного шва: р = 135°, а = 90° и а = 0.

Эффективность ресурсосберегающей технологии предложено оценивать коэффициентом Ксм , представляющим собой отношение масс наплавленного металла стандартного шва бс и шва, выполненного с двухсторонней разделкой 6Р (рис. 1,а):

Ксм- Бр/Бс

Рис. I. Схема соединения (а) и зависимости коэффициента снижения металлоемкости К от параметров и

На основании геометрического анализа угловых швов, выполненных с разделкой кромок и без нее получено следующее выражение для оценки коэффициента снижения металлоемкости Кйм :

1-5/5-

При а = 0 величина Ксм равна

ксм= (2)

В случае, когда р = 135° и а = 45° параметр Ксм определяется по формуле

ксм - --—V- (3)

(Мй/5)1

Анализ этих формул показывает, что эффективность предложен-ноГ: формы разделки кромок повышается с уменьшением параметров о(. к Р> (рис. 1,6 и в). При фиксированных значениях ос и |Ь с ростом отношения а/ 5 коэффициент Ксм снижается (рис. 1,г).

В существующих в настоящее время методах расчета на прочность полагается, что опасное сечение совпадает с минимальным сечением, проходящим через корень шьа перпендикулярно к гипотенузе шва. Исходя из этого, можно получить следующее выражение для оценки коэффициента упрочнения угловых швов в зависимости от параметров р и твз ( = |):

Ку-1- т05 1д{) , (4)

Р/С Р С

где Ку= / б^ - коэффициент упрочнения; б6 и 06 - разрушающие напряжения соединения с разделкой кромок и без нее соответственно. Как следует из этой формулы, увеличение параметров та5 и £> приводит к заметному росту коэффициента упрочнения швов К у . Очевидно, что приведенные зависимости справедливы при условии

разрушения сварных швов по минимальному сечению. С целью проверки этого допущения проведены дополнительные исследования напряженного состояния, характера разрушения и прочности сварных соединений с угловыми швами, выполненными с разделкой кромки охватывающего цилиндра. Результаты этих исследований приводятся ниже.

2. Напряженное состояние и прочность сварных соединений

2.1. Обоснование расчетной модели

Для соединений типа охватывающих и охватываемых цилиндров характерны подвижные посадки с зазором с симметричным расположением допусков. Расчетной величиной допусков является минимальный зазор /\т1п » который должен обеспечивать свободную посадку сопрягаемых цилицдров. При этом номинальные диаметры охватывающего Да и охватываемого Дь цилиндров связаны между собой зависимостью: До= Дь 4 аа + аь где о(а и схь - предельные отклонения для охватывающего и охватываемого цилиндров. Максимальный зазор Лтох равен сумме: лпо% . б0 + бь ♦ Атп , где 5а . 2 аа и поля допусков для охватывающего и охватываемого цилиндров. Сварочный просвет 6 равен половине зазора Д С 6 = 0,5 • А ). Величина Дтох ограничивается по условию нормального формирования шва. Как известно,при ручной сварке 6 = I ... 3 мм. При таких жестких ограничениях допусков же исключается возможность возникновения случая, когда между сопрягаемыми цилиндрами сварочный просвет будет равным нулю. Отсутствие просвета между сопрягаемыми элементами означает образование искусственной несплошности (трещинопо-добной полости) с радиусом закругления в вершине (в корне шва), близким к нулю ( 9г—0). В таких областях реализуется высокая степень концентрации напряжений, снижающей работоспособность соединения. В области перехода от свободной поверхности шва к основному металлу (точка А на рис. 1,а) радиус закругления может также быть весьма малым ( 0). Поэтому, некоторые исследования прово-

дали в предположении, что и 9г равны нулю. В общем случае схема модели соответствует рис. 2.

2.2. Исследование напряженного состояния

Первый этап обоснования предложенной технологии-исследование напряженного состояния соединений методами фотоупругости и конечных элементов. Эти методы общеизвестны, поэтому здесь не будем останавливаться на их сущности, а приведем основные результаты. Опыты проводили следующим образом. Из оптически активного материала изготовляли несколько серий образцов с различными параметрами геометрии швов. Изохромы-линии равных разностей главных напряжений - получали при нагружении образцов на полярископе ППУ-7. Анализ изохром показал, что применение разделки кромок, в частности с параметрами то5 = 1,0 и |Ь = 135° позволяет снизить концентрацию напряжений примерно в 1,7 раза в сравнении со стандартным швом.

Далее, методом конечных элементов определяли напряженное состояние модели, показанной на рис. 2. Характерное распределение осевых напряжений 0у в различных сечениях модели показано на рис. 3. Расчеты подтверждают полученный вывод методом фотоупругости. Вследствие возникновения изгибающего момента при нагружении модели напряжения в различных сечениях распределены неравномерно, а в некоторых - меняют знак на обратный. По теории тонких оболочек коэффициент концентрации напряжений 0(0г = 4. Найденные методом конечных элементов значения (Х0 почти вдвое меньше указанной величины. Этот факт следует учитывать в расчетной практике.

Установлено, что уменьшение отношения толщины стенок обечаек к их диаметру г| ( г] = Ь/г/^), способствует росту значения О!0, в соответствии с формулой: (ха - 5 - 40( - 0,05). Здесь а0. -коэффициент концентрации интенсивности напряжений. На расстоянии, равном примерно 5 5 от шва напряжения распределяются равномерно

сх

С\|

Рис. 2. Расчетная модель соединения

7ПП

6и

Рпс. 3. Характерное распределение осевых напряяеннЗ в о"егюжзтрячног» модели

и становятся равными номинальным значениям. Увеличение радиусов сопряжения 9< и снижает степень концентрации напряжений.

Напряженное состояние в области кольцевых швов сосудов (размеры и технология их изготовления приведены в разделе 3) исследовали тензометрированием. Для этого, вдоль образующей на внешней поверхности сосудов наклеивались тензодатчики, ориентированные соответственно по осевому и кольцевому направлениях. Далее, под внутренним давлением, составляющим 3 Ша, снимали показания тензо-датчиков. Давление 3 Ша обеспечивало упругую работу материала сосудов. Отметим, что без концентратора напряжений (сварные швы), переход в пластическое состояние материала происходил бы при давлении около 11,6 Ша. Это давление почти в четыре раза больше давления, при котором производили измерения деформаций. Отмечается существенная неравномерность распределения деформаций и напряжений. Максимальные напряжения имеют место непосредственно в области кольцевого шва. Заметного отличия в коэффициентах концентрации напряжений в области кольцевых швов, выполненных с разделкой кромок и без нее обнаружить не удалось. Экспериментально найденные значения коэффициентов концентрации напряжений (х0не превышает двух ( аа < 2,0), хотя, как отмечалось ранее, в соответствии с теорией тонких оболочек = 4,0.

2.3. Прочность сварных соединений

Приведенные результаты исследования относятся к двум случаям нагружения соединений: на отрыв (рис. 4) и продольное растяжение (рис. 5).

Вначале дадим анализ результатов исследований прочности соединений с угловыми швами при испытаниях на отрыв.

Для тел с трещинами условие прочности записывается в виде: = «с , где К( - коэффициент интенсивности напряжений, а - его предельное значение. Значение Кс определяется из-

вестными методами, экспериментально. Коэффициент интенсивности напряжений (КИН) зависит от геометрии конструктивного элемента с трещиной, формы и размеров трещины, приложенного номинального напряжения и др. Рассматриваемая задача многопараметрическая, поэтому величину К( определяли экспериментально, методом предельных нагрузок с использованием базовой модели, для которой КИН известно. С этой целью-проводили сериальные испытания моделей сварных соединений из хрупкого материала (органическое стекло) с различными параметрами (X и р . Отношение предельной нагрузки Р^ подели к предельной нагрузке базовой модели Р^^ представляет собой коэффициент f снижения (или повышения) прочности: ij* Pnp/Pnp*-Величина обратная значению 7 равна величине поправочной функции У в выражении для оценки КИН: К, = К,^' У» K4*/i/ , где К,* — КИН для базовой модели. В качестве базовой модели принят ДКБ - образец (см. рис. 4,6). Это обосновано тем, что при d = 0 или f> = 180°, рассматриваемая модель соединений с угловым швом переходит в ДКБ-образец. При этом достигается максимальная прочность соединения с угловым швом.

По результатам испытания компактных образцов и образцов с краевой трещиной (по ГОСТ 25.506-85) установлено следующее значение К£ для органического стекла: Кс = (1,25-5-1,45) МПа\Ги .

Для оценки прочности соединений с угловыми швами введен параметр Мс :

М Rip ' to ' ' t

где Рпр - предельное усилие отрыва; t - толщина модели; 10 -плечо силы Р или длина трещины.

Обработка результатов испытаний показала, что зависимость относительной прочности Ч1 соединений от параметров с( и аппроксимируется следующей формулой

Р ф

Рис. 4. Образцы на отрыв

S 5

б)

«О

v/V",

«л

»n

Р

Рис. б. Образцы на продольное растягеляе

И,

(5)

cos4 (a - a*> со5с(р>-р>*)

1 с*

где С),с,(X», p.*. - константы, определяемые экспериментально. В частности для соединений о f> = 135°: С] = 1,0; СХ^ = ж/4', С = 1,0; f> = Jf/4. При этом прочность соединения будет равна: Мс =

Mw j^cOS (a - ТС/ 4)]» где - предельная прочность ДКБ-образца.

Для случая, когда (X = 90° прочность соединений определяется по формуле: Мс = COS1,5. Анализ полученных формул показывает, что прочность образцов на отрыв с уменьшением параметра d растет, но не беспредельно. При определенных значениях tf*. прочность образцов достигает некоторого предельного значения, соответствующего прочности ДКБ-образца. Дальнейшее уменьшение d не приводит к росту прочности соединения. Увеличение параметра ¡Ь в пределах от 90° до 180° приводит к монотонному росту прочности образцов.

Образцы на отрыв независимо от значений (X и р всегда разрушаются, начиная от корня шва. При фиксированном значении ot образцы с разными значениями р разрушаются по одной и той же окружности с радиусом, равным размеру S и с центром вращения, совпадающим с вершиной углового шва. Аналогичный факт отмечается и в образцах с фиксированным значением £> . Отличие состоит в том, что в этом случае, центр вращения не совпадает с вершиной углового ШЕа, а располагается на некотором расстоянии от нее. В условиях опыта это расстояние примерно равно 0,25S, независимо от параметра сх . Таксе несовпадение фактической поверхности разрушения, с ранее принятой гипотетической поверхностью разрушения (см. раздел 1.2), по-видимому, является одной из причин значительного расхождения значений параметра Ку , рассчитанного по формуле (4) и (5). Это наглядно видно из рис. 6.

На основании формулы (5) и известных положений механики

Ку <.75 1.5

0 1Р

45 60 75 Л"

1 - расчет по формуле (4)

2 - расчет по форцуяе (5)

Рже. 6. Зависимости от

1

'2

Рис. 7. Завкскисета от

разрушения представляется возможным производить оценку хрупкой прочности соединений, а также все компонентны тензора упругих напряжений в окрестности корня углового шва.

Полагая, что металл соединения упрочняется по степенному закону получена следующая оформула для оценки прочности соединения в условиях вязкого разрушения

й , С • п" . \л/5 (6)

с (п + 2) 10 Ч-

где сип- компоненты деформационного упрочнения металла; пластический момент сопротивления сечения. Здесь значение определяется по формуле (5). Для неупрочняемого металла п = О, следовательно Мс * 0Т■ Ь/5 • • Результаты испытаний соединений изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей показали приемлимость применения формулы (6) для инженерной оценки прочности.

Следующим этапом обоснования предложенной технологии обработки кромок явилось проведение испытаний соединений в условиях продольного растяжения, как наиболее сложного и характерного случая нагружения конструктивных элементов.

В зависимости от параметров (X и при талом нагружении соединений возможно разрушение с инициацией в корне шва и в месте перехода от свободной поверхности шва к основному металлу. Другими словами, необходимо рассмотреть условие прочности в двух зонах: область точки 0 и А, см. рис. Причем целесообразно принять: р, = = 0- Таким образом, прочность соединения можно оценить на базе механики разрушения. Такой подход обоснован тем, что он обеспечивает определенный запас прочности.

Известно, что элемент с острым угловым переходом можно представить в виде модели с краевой трещиной. Эквивалентную, характерному параметру углового перехода (в данном случае толщина соединения 5 ), глубину или длину трещины 10 находят по формуле:

L0 =- 2 ¿С S , где i - параметр особенности поля напряжений в окрестности угловой точки А, зависящей только от f> (0 г- i > -0,5). Затем, по справочным данным определяется КИН для эквивалентной модели с трещиной, а по условию прочности (К^ = Кс) - разрушающее напряжение ооединения 6С .

Далее рассматривается условие прочности в окрестности корня шва (точка 0). Для такого вида соединений и нагружения и зависимостей для расчета КИН, в известной нам литературе, не обнаружено.

В работе для оценки параметра Ч , как и в предыдущем случае, использовали метод предельных нагрузок.

Установлено, что при испытаниях образцов из хрупкого материала в условиях продольного растяжения отмечаются практически те же закономерности изменения прочности от параметров (X и р , что и при испытаниях образца на отрыв. В условиях опыта (при р - 135°), с уменьшением угла ОС прочность соединения 0С возрастает и при определенном его значении а* разрушающее напряжение 0С достигает своего предельного значения 0Cw , соответствующего для базовой модели (рис. 5, б). Причем, зависимость 0С от а при f> = 135° хорошо описывается формулой: V» 0С/ 0Ci(. - COS (а - ^), см.рис.7.

Разрушающее напряжение 0С< для базовой модели определяется с использованием подходов механики разрушения.

Экспериментально установлено, что в условиях вязкого разру-

01

шения прочность базовой модели (рис. 5,6) составляет около 0,75 0. Это справедливо для углеродистых (СтЗ, 20, 10), низколегированных (16ГС, 17ГС, 09Г2С) и нержавещих (12Х18НЮТ) сталей. Следовательно, для соединений из указанных сталей вязкую прочность можно оценивать по формуле

В частном случае, при р> = 135°; 0с = 0,75 <5°" [ С05(а-ТГ/а)] .

3. Натурные испытания

С целью дополнительной проверки эффективности предложенной ресурсосберегающей технологии изготовления соединений типа охватывающих и охватываемых цилиндров проведены натурные испытания сварных соединений в.условиях статического и малоциклового нагружения. Были изготовлены три типа соединений: плоские образцы на продольное растяжение в условиях статического и малоциклового нагружения; цилиндрические образцы, сваренные внахлестку для испытаний при продольном сжатии и цилиндрические сосуды с нахлесточными кольцевыми швами для испытаний под действием внутреннего давления. Плоские образцы сваривались электродуговой ручной и полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа на обычных промышленных режимах. Цилиндрические образцы и сосуды сваривались ручной электродуговой сваркой. Плоские образцы изготовлялись из стали 17ГС - как типичная низколегированная сталь, широко применяемая в аппаратостроении.

В качестве примера, в таблице приведены результаты испытаний на статическое растяжение плоских образцов, выполненных ручной сваркой. В колонке 5 этой таблицы даны средние значения временного сопротивления 06 , найденные по результатам испытаний II образцов на каждый тип разделки кромок (см. первую колонку таблицы). Временное сопротивление основного металла составило 564 МПа. Видно, что наибольшей прочностью обладают образцы третьей серии (они выполнены с односторонним скосом кромок одной из свариваемых пластин с углом а = 60°). Образцы первой (со стандартным равнокатет-ным швом) и второй (с двухсторонним скосом кромок при р = 135°, 01 = 45° и а = 0) серий имеют примерно одинаковую прочность. Несколько меньшая прочность образцов второй серии в сравнении с первой объясняется тем, что применение разделки практически устраняет образование усиления шва, а также способствует незначи-

го

Таблица

Результаты испытаний плоских образцов на статическое растяжение

Тип Т1ячпрл™ ! Толщина ! Площадь ! р ! <5. ТИПк?ЖЛКИ !СОе^е™Я| сечеНИЯ | V ! Ж1а

^-тт 11,7 281 10750 382

11,5 276 10000 362

1 I

60°' Ш II,6 278,4 13000 467

тельному непровару корня шва. Однако, следует иметь ввиду, что образцы второй серии имеют в два раза меньшую массу наплавленного металла. В случае обеспечения одинакового провара корня и усиления швов эти образцы должны иметь одинаковую прочность, но в образцах второй серии достигается двухкратное снижение металлоемкости. Образцы третьей серии (с односторонним скосом кромок при = 60°) разрушаются при напряжениях на 22,3 % больших, чем стандартные (образны первой серии) Отмеченные закономерности имеют место и при полуавтоматической сварке в среде углекислого газа. Анализ макроструктуры показывает, что полуавтоматическая сварка в среде при углах разделки о(. » 45° практически исключает непровар корня шва. При испытаниях натурных сварных соединений четкой закономерности характера разрушения обнаружить не удалось. Некоторые образцы разрушались по шву, а другие - по основному металлу с инициацией разрушения в зоне перехода от свободной поверхности шва к основному металлу.

Цилиндрические образцы с кольцевыми швами на сжатие выполнялись ручно" злектродутовол сваркой по первым двум схемам, пред-

ставленным в таблице (см. первую колонку). Они изготовлялись из трубных заготовок (сталь марки 20). Все образны, как первой, так и второй серий разрушались примерно при одинаковых напряжениях, составляющих 60 % от временного сопротивления = 460 Ша.)

Таким образом, как при ручно":, так и при полуавтоматической сварке в среде С0£ применение двухсторонней разделки с с/. = 45°и |Ь = 135° позволяет снизить металлоемкость шва примерно в два раза в сравнении со стандартным шеом. Односторонний скос кромки при ск = 60° повышает прочность соединения на 23 %, но при этом имеет место более высокий расход сварочных материалов.

Образцы для малощкловых испытаний изготовлялись также как и плоские . Испытания*производили при разных уровнях напряжений по отнулевому циклу нагружения (коэффициент ассиметрии г = 0).

Установлено, что наличие сварных швов заметно снижает долговечность соединений в сравнении с гладкими образцами. В кривых долговечности ( ), где бт[и-максимальное напряжение цикла;

N - число циклов до разрушения) имеет место перелом при N = 200 - 500 циклов. Кривые долговечности для образцов первой и второй серий практически совпадают. Как и следовало ожидать, образцы с односторонней разделкой имеют наибольшую малэшкловую прочность. Это является дополнительным подтверждением эффективности применения разделки кромок при выполнении сварных швов соединений типа охватывающих и охватываемых цилиндров.

Сгарные сосуды изготовлялись из листового проката (16ГС) толщиной 5 = 14 мм с последующей вальцовкой и сваркой охватывающей (внутренним диаметром Дв = 630 мм) и охватываемой (Дв = 600 мм) обечаек со стандартным равнокатетным швом и швом с разделкой кромки охватывающей обечайки по схеме Е (см. таблицу). К торцам сваренных между собой обечаек приваривались эллиптические днища. Со-

суды нагружались внутренним статическим давлением до разрушения. Оба сосуда разрушились по сварному шву, соединяющему обечайку с днищем при максимальном давлении 21,5 - 21,8 МПа. При этом окружные напряжения составляют 4844491 Ша. Для стали 16ГС временное сопротивление равно б£м = 500 Ша. Это свидетельствует о том, что кольцевые нахлесточные соединения не оказались на прочности сосудов. Заметим, что один из сосудов был изготовлен со смещением кромок кольцевого шва. Он разрушился по основному металлу при давлении 21,2 Ша, что соответствует окружному напряжению, равному 477 Ша. Таким образом, кольцевые нахлесточные угловые свы в сосудах, работающих под внутренним давлением обеспечивают равную статическую прочность сварного соеданения и основного металла.

ВЫВОДЫ

1. Ка основании результатов комплекса исследований закономерностей напряженного состояния и разрушения сварных соединений разработана ресурсосберегающая технология изготовления элементов нефтехимической аппаратуры типа охватывающих и охватываемых цилиндров, основанная на рациональном выборе геометрических параметров геометрии обработки кромок. Эффективность предложенной технологии подтверждена натурными испытаниями соединений сосудов при различных эксплуатационных условиях.

2. Предложен и обоснован способ разделки кромок в соединениях типа охватывающих и охватываемых цилиндров, обеспечивающий двухкратное снижение расхода сварочных материалов и электроэнергии. При определенных параметрах разделки кромок достигается повышение характеристик работоспособности соединений до 1,5 раза.

3. Получены и экспериментально подтверждены функциональные зависимости для определения характеристик работоспособности соединений типа охватывающих и охватываемых цилиндров, выполненных

со специальной разделкой кромок, которые использованы при разработке стандарта предприятия, регламентирующего требования к выбору параметров угловых швов элементов нефтехимической аппаратуры.

4. Установлено, что коэффициент прочности сварных соединений описывается одной и той же зависимостью от параметров геометрии разделки кромок и шва как в условиях хрупкого, так и вязкого разрушения.

5. Определены коэффициенты интенсивности напряжений (КИЮ для моделей соединений в зависимости от параметров геометрии разделки кромок и шва, что позволило оценить прочность угловых швов в условиях хрупкого разрушения и поля напряжений в окрестности трещиноподобных концентраторов напряжений.

6. Результаты работы могут быть использованы при изготовлении и ремонте нефтехимической аппаратуры, имеющей в своем составе элементы типа охватывающих и охватываемых цилиндров. Применение предложенно" технологии изготовления цилиндрических элементов позволяет, в одних случаях повышать надежность сварных соединений,

а в других снижать расход сварочных материалов, электроэнергии и повышать производительность труда.

Основное содержание диссертации изложено б следующих публикациях:

1. За"нуллин P.C., Абдуллин P.C., Осипчук И.А. Повышение прочности и долговечности сварных элементов нефтехимической аппаратуры. - М.: ЦИРЛЩИМКЕЖЖ!!, 1990, 64 с.

2. Абдуллин P.C. Повышение работоспособности соединени": типа цилиндрических охватывающих и охватываемых детале:": нефтяно" аппаратуры. - В кн. "Обеспечение работоспособности сосудов и. трубопроводов". Под редакцией д-ра техн. наук Зайнуллина P.C. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 199I, с. 17-22.

3. Абдуллин P.C. и др. Повышение работоспособности угловых

швов нефтеаппаратуры. /Р.С.Зайнуллин, Г.В.Москвитин, А.В.Грибанов/ Реакторы каталитических процессов и аппаратура для подготов ки нефти. - М.: 1991. - С. 21-26.

Соискатель