CC BY
11
12. Шупляков С.В. Колебания и нагруженность трансмиссии автомобиля. - М. : Изд-во "Транспорт", 1974. - 328 с. _
УДК 539.3 Доц. А.Р. Дзюбик, канд. техн. наук;
проф. В.М. Палаш, канд. техн. наук - НУ "Львiвська nonimexmrn"
ВПЛИВ ПАРАМЕТР1В РЕЖИМУ ЗВАРЮВАННЯ НА НАПРУЖЕНИЙ СТАН ЗВАРНИХ СТИК1В МАГ1СТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОД1В
Запропоновано функщю для опису епюри залишкових пластичних деформацiй у випадку дугового зварювання в середовищi газiв. Внаслiдок здiйснених експери-ментального дослщження доведено, що можна отримати ютотну змiну напруженого стану кiльцевого шва стикового з'еднання шляхом регулювання параметрiв режиму зварювання в межах, яю рекомендованi в лiтературi. Запропоновано оптимальш па-раметри режиму зварювання. Встановлено, що в разi виконання кшьцевих швiв на нормативних режимах можлива ютотна варiацiя величини напружень, на ос шва во-на становить: для осьових напружень до 27 %, а для кшьцевих до 11 %.
Ключов1 слова: магютральний трубопровщ, низьколегована сталь, експеримен-тально-розрахунковий метод, поле пластичних деформацш.
Assoc. prof. A.R. Dsjubyk;prof. V.M. Palash -NU "L'vivs'kaPolitekhnika"
Influencing of parameters of the mode of welding on the tense state of the welded joints of main pipelines
A function is offered for epure description of remaining plastic deformations in the case of the arc welding in the environment of gases. It is shown as a result of the conducted experimental researches, that it is possible to get the substantial change of the tense state of circular stitch of joint connection by adjusting of parameters of the mode welding in scopes, which are recommended in literature. The optimum parameters of the welding mode are offered. It is set that in the case of implementation of circular guy-sutures on the normative modes substantial variation of size of tensions is possible, it makes on wasp of guy-sutures: for axial tensions to 27 %, and for a ring to 11 %.
Keywords: low alloyed steel, experimentally-calculation method, weeds plastic deformations.
Постановка проблеми, аналiз дослщжень та публжацш. Вщ вели-чини погонно! енергн зварювання за шших однакових умов залежать розм1р шва та навколошовно! зони, стушнь перегр1ву зварювально! ванни, швид-юсть охолодження р1зних дшянок з'еднання, а отже, його властивость Це особливо актуально для спорудження та ремонту мапстральних трубопрово-д1в, зварювальш роботи на яких виконують в польових умовах, а сам1 вони в процеЫ експлуатацн перебувають шд впливом природних та техногенних чинниюв. Виходячи з умови забезпечення оптимальних структури та власти-востей зварного з'еднання, здшснюеться регламентащя параметр1в режиму зварювання стиюв трубопровод1в [1, 2]. Однак попередш теоретичш та ек-спериментальш дослщження показали, що в межах, яю рекомендовано в л1те-ратур1, можна отримати ютотш змши залишкових напружень стану.
Мета та завдання дослщження полягають у вивченш можливосл забезпечення технолопчно! мщност1 зварних з'еднань мапстральних трубопро-вод1в на основ! оптим1зацн !х напруженого стану.
Основний матерiал. У роботi дослiджували кiльцевi шви стикових зварних з'еднань сталевих труб (сталь 10Г2Б) типорозмiром 1220x12 мм. Зва-рювання виконували дуговим автоматичним способом в середовищд захис-них газiв С02(60 %) + Аг(40 %) за два проходи [3]. Застосовувалися електрод-нi дроти марки Св-08Г2СМ дiаметром 1,6 мм. Пщготовку до зварювання виконували зпдно з вимогами, якi висуваються для спорудження мапстральних газопроводiв [2]. До параметрiв процесу, змiна яких, в цьому випадку, спри-чинюе рiзний напружений стан, належать: струм зварювання 1зв, напруга дуги ид, швидюсть зварювання Узв [3, 4]. Таким чином, кшьюсть факторiв для плану експерименту дорiвнювало т = 3. Залишковi зварювальнi напруження ви-мiрювали з допомогою неруйнiвного магштопружного методу [5]. У табл. 1 наведено можливi змiни основних параметрiв режиму зварювання.
Вiдомо [6], що тд час експлуатаци мапстрального трубопроводу мак-симальнi напруження в матерiалi труби виникають iз внутршнього боку труби. Враховуючи це, за вихщш параметри планування прийнято величину ю-льцевих та осьових напружень (арр, ааа) бiля и внутршньо! стiнки.
Табл. 1. Рiвнi факторiв та штервали Их вариовання
№ з/п Показник Фактори*
Iзв, А и, В Узв, м/год
1 Основний р1вень - 0 335 28 15
2 1нтервал змши - Ах; 55 2 2
3 Верхнш р1вень - +1 390 30 17
4 Нижнш р1вень - -1 280 26 13
5 Позначення фактору Х1 Х2 Хэ
Напруження визначали з допомогою експериментально-розрахунково-го методу [6], який грунтуеться на розв'язках обернених задач теори оболо-нок та шформаци, одержанш експериментальними методами. Кiлькiсть вимь рювань експериментальних даних для визначення параметрiв забезпечувала статистичну обробку з довiрчою ймовiрнiстю 0.95.
Для опису поля пластичних деформацш в роботi [7] застосовано фун-кцiю Ф(а) = 1 -Р-(а2/а,2)-(1 -Р)-(а4/а^), де а - вщнесена до радiуса труби вщстань вiд осi шва, р - коефщент, що задае кривизну графжа функци, а0 -вiднесенa до радiуса труби пiвширина зони пластичних деформацш. Однак, за а = а0 умова глaдкостi (Ф(а = а0) = 0;ёФ/ёа |а = а0| = 0) задовольняеться
лише за р = 2/3. Розглянемо це питання детальшше.
Нехай функщя, що описуе поле пластичних деформацш, мае вигляд:
2 4 6
ааа
(р(а) = 1 + р — + Р4 + Р6-—г. (1)
а0 а0 а0
Тодi, виходячи iз умов гладкост функци, отримуемо таку систему (2):
1 + р + Р4 + Р6 = 01
р + 2Р4 + 3Р6 = 0
Розв'язуючи И вiдносно р, отримуемо, що р4 = -3 - 2р , р6 = 2 + р , або
92
Збiрник науково-технiчних праць
2 4 6
Ф(а) = 1+p .а _(3 + 2p ).а+(2+p
ао ао а0
Грaфiчне вiдображення функцiй наведено на рис. 1.
(3)
Рис. 1. Поле пластичних деформацш за р = 0, а0 = 50 мм: 1 - Ф(а), 2 - р(а)
Якщо вщбуваеться великий тепловмют пiд час зварювання, а шов широкий (ручне дугове, тд шаром флюсу), найкраще вщображае поле пластичних деформацш функщя Ф(а). Однак, якщо процес характеризуемся дос-татньою концентращею дугового розряду, наприклад зварювання в середови-щi захисних газiв, то бшьш застосовною е розроблена функщя р(а).
План повного факторного експерименту разом з ощнкою впливу ос-новних параметрiв режиму на напружений стан з'еднання наведено в табл. 2. К^м того, подаються значення максимальних залишкових кшьцевих та осьо-вих напружень на ос зварного шва бiля внутршньо! стiнки труби (стрр, стаа).
Для зручност оцiнювaння впливу параметрiв режиму зварювання на напружений стан використаемо погонну енергда зварювання: дп=ц-ид-1зв/¥зв. Це комплексний показник, що характеризуе тепловмют процесу та безпосе-редньо впливае на розмiри зони пластичних деформацш, а отже, напружень у зварному з'еднанш. Ус параметри режиму забезпечують дп не бiльше 25 КДж/см. Це задовольняе рекомендаци щодо зварювання сучасних трубних сталей [3] та забезпечуе отримання яюсних зварних з'еднань. Перевищення допустимого рiвня погiршуе мщшсть з'еднання та може призвести до виник-нення дiлянок розмiцнення.
Табл. 2. Матриця планування на три фактори
Номер дослвду Xi Х2 Хз 3qn, 103-Дж/см Напруження на oci шва, МПа
^аа ствв
1 + 1 + 1 +1 19.8 138 383
2 + 1 + 1 -1 18.1 130 388
3 + 1 -1 +1 25.5 162 365
4 + 1 -1 -1 23.3 152 373
5 -1 + 1 +1 13.3 102 403
6 -1 + 1 -1 12.1 97 406
7 -1 -1 +1 17.0 124 391
8 -1 -1 -1 15.5 117 395
У нашому випадку планування здшснювали без врахування ефекту взаемовпливу, оскшьки фактори - струм, напруга та швидюсть зварювання -е взаемонезалежними. Лшшна модель мае такий вигляд:
У = Ь(0) + Ь(1)Х + Ъ(2ух1 + Ь(3)-Хз, (4)
де ¿(0), Ь(1), Ь(2), Ь(3) - коефщенти лшшно! моделi.
Нижче наведено невiдомi коефщенти для моделювання кiльцевих (арр) та осьових (ааа) напружень на ос зварного шва (табл. 3).
Табл. 3. Коефпц'инти математичнон модел1
^^КоефЩ^енти Напруження^^^— ¿(0) ¿(1) ¿(2) ¿(3)
ааа 388 -10,75 7 -2,5
аВВ 127,75 17,75 -11 3,75
Результати дослщження вiдрiзняються на певну величину через наяв-шсть факторiв, якi важко пiддаються контролю (коливання напруги в мереж^ нерiвномiрнiсть подавання дроту внаслiдок проковзування мiж роликами ме-ханiзму подачi тощо). Цi похибки оцiнювали з допомогою дисперси вщтво-рюваностi. Середньоквадратичне вдаилення пiд час визначення параметра оптимiзацil е допустимим. Перевiрка адекватностi лшшно! моделi, виконана iз застосуванням критерда Фiшера, пiдтвердила 11 адекватнiсть.
Узагальнюючи результати здiйснених аналiзу, обчислень та експери-ментального дослiдження можна зробити висновок, що зменшення коливань та рiвня кiльцевих розтягувальних напружень у зварному стику труб разом iз забезпеченням стабшьного та ефективного процесу можна досягти за погон-них енергш в межах вiд 15 до 20 КДж/см. При цьому максимальш розтя-гувальнi кiльцевi напруження на внутршнш стiнцi труби будуть перебувати в межах 383-395 МПа, а розтягувальнi осьовi в межах 117-138 МПа вщповщ-но (рис. 2).
сг, МПа
<1 о о.
и
400
300
200
100
-100
\\1 реке д1ап< >м ендова! азон: 15,5 ний - 20,0 КДж/см
2П
—
100
500
!_, ММ
200 300 400
Бщстань в!д ос! шва
Рис. 2. Розподт напружень на внутршнш стшщ зварного стику труб:
1, 2 - юлъцев1 та осъов\ напруження в\дпов\дно; - область рекомендованих параметров режиму зварювання
94
Збiрник науково-техшчних праць
За результатами планування експерименту визначено оптимальш па-раметри режиму зварювання одного валика без пщ^вання та додаткового термiчного оброблення за багато проходiв. Зокрема, для розглядуваних ком-бiнацiй елемент1в режиму зварювання (табл. 2), це дослщи, якi забезпечують погонну енергш зварювання 15,5; 18,1; 17,0 та 19,8 КДж/см вщповщно.
Результати дослщження пiдтвердили, що варiюванням параметрiв зва-рювального процесу можна отримувати змшу рiвня напруженого стану звар-ного з'еднання. Причому, хоча можлива варiацiя осьових напружень бiльша, нiж у кшьцевих, останнi е значно вишд.
Зменшення максимальних розтягувальних кiльцевих напружень, як знаходяться в областi зварного шва, вщбуваеться у разi зростання погонно1 енергiï. Однак, ix зменшення таким чином обмежуеться технолопчними осо-бливостями процесу на цилiндричниx поверхнях: збшьшений об'ем зварю-вальноï ванни призводить до стжання шлаку та рщкого металу; порушуеться стабiльнiсть горшня дуги; погiршуеться формування шва. Також за високих погонних енергш зростае величина зони пластичних деформацш, що призводить до збшьшення деформаци трубного з'еднання.
Висновки. Отже, в робот отримано таю результати. Запропоновано функщю для опису епюри залишкових пластичних деформацiй у випадку дугового зварювання в середовишд вуглекислого газу, яка забезпечуе необхщну гладюсть поля пластичних деформацiй на всьому промiжку його iснування. На основi експериментiв та обчислень доведено, що в разi змiни в рекомендо-ваних межах параметрiв режиму зварювання, можна отримати iстотне ва-ршвання залишкових напружень з'еднання. Встановлено, що в разi виконан-ня кшьцевих швiв на нормативних режимах можлива ютотна варiацiя величи-ни напружень, на ос шва вона становить: для осьових напружень до 27 %, а для кшьцевих до 11 %. Доведено, що зменшення коливань та рiвня розтягувальних напружень у зварному стику труб iз забезпеченням стабшьного та ефективного процесу можна досягти за погонних енергш в межах вщ 15 до 20 КДж/см. Запропоновано межi допустимоï погонноï енерги, що забезпечують зменшення змши залишкових напружень на величину до 15 %.
Лггература
1. ВСН 006-89 "Сварка и контроль качества сварных соединений при сооружении магистральных газопроводов".
2. ВБН В.2.3-000182001...-00 "Сварка и контроль качества сварных соединений при сооружении магистральных газопроводов".
3. Суворов А.Ф. Сварочно-монтажные работы в трубопроводном строительстве : учебн. пособ. для вузов / А.Ф. Суворов, Г.Г. Васильев, ЮЛ. Горяянов, Ю.Э. Кинцлер, Ф.М. Мусстафин, С И. Сенцов, С.В. Головин. - М. : Изд-во ЗАО "Звезда", 2006. - 240 с.
4. Касаткин Б.С. Напряжения и деформации при сварке / Б.С. Касаткин, В.М. Прохоренко, И.М. Чертов. - К. : Вид-во "Вища шк.", 1987. - 245 с.
5. Недосека А.Я. Особенности измерения механических напряжений электромагнитным методом в трубопроводах и сосудах давления газового и нефтяного комплекса / А.Я. Недосека, С.К. Фомичев, С.Н. Минаков, А.И. Степаненко, Н.А. Яременко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1996. - № 1. - С. 55-67..
6. Палаш В.М. Напруження у трубах, з'еднаних зварним кшьцевим швом / В.М. Палаш, В.М. Юсьюв, А.Р. Дзюбик // Ф1зико-х1м1чна мехашка матер1ал1в. - 2000. - № 8. - С. 47-50.
7. Осадчук В.А. Розподш залишкових зварювальних напружень у товстих плитах з кру-говими швами / В. А. Осадчук, М.Я. Шелестовська // Ф1зико-х1м1чна мехашка матер1ал1в. -1998. - № 3. - С. 31-35.
