книга2 с254-338 (Часть полезной книги), страница 6

I

ковые опоры, усиливая трубопровод в этом месте кольцом жест­кости. Для повышения податливости в продольном направлении трубопроводы иногда опирают на качающиеся стойки; используют также компенсаторы.

Трубопроводы с высоким внутренним давлением (напорные), применяемые в гидротехнике, проектируются согласно изложен­ным принципам. Для наземных напорных трубопроводов основными видами нагрузок являются внутреннее давление жидкости с учетом гидростатического давления и дина­мического коэффициента при гидравличе­ском ударе, собственный вес трубопровода с водой, осевые усилия, вызванные давле­нием жидкости на поворотах и при измене­нии диаметра, и температурные воздействия. Определение расчетных напряжений в про­дольном и поперечном сечениях трубопро­вода (продольных и кольцевых швах) про­изводится по формулам (21.42) и (21.43).

Подземные трубопроводы помимо внут­реннего давления и температурного воздей­ствия испытывают нагрузку от насыпного грунта. Нагрузка, отнесенная к длине тру­ бопровода,

(21.47)

где —давление грунта.

Под нагрузкой трубопровод приобретает эллиптическое очер­тание (рис. 21.16) и в стенке трубы возникает изгибающий мо­мент

(21.48)

С другой стороны, внутреннее давление в трубе эллиптиче­ского очертания вызывает момент Суммарный момент при

(21.49)

В результате отпора грунта изгибающий момент принимает зна­чение , Здесь

(21.50)

где —коэффициент, зависящий от направления отпора грунта (в среднем может быть принят за единицу); коэффициент, зависящий от свойств грунта и диаметра трубы. С увеличением плотности грунта v возрастает. Определив

, находим напряжение в продольном шве трубы. 280

В трубопроводах, работающих при относительно невысоких внутренних давлениях, возможно применение плоскосворачивае-мых труб. Эти трубы обладают малой массой и достаточно хоро­шими эксплуатационными свойствами.

Как правило, трубопроводы рассчитываются в основном на статическую нагрузку. В особых случаях учитываются пульсация давления транспортируемой среды и импульсный характер ветро­вых нагрузок. В магистральных трубопроводах могут возникать протяженные разрушения, когда местный разрыв стенки трубы сопровождается быстрым продвижением трещины на десятки и сотни метров. Такой тип разрушения имеет место только в газопро­водах. Это происходит вследствие того, что скорость продвижения конца трещины оказывается весьма большой и давление газа вну­три трубы не успевает снизиться до того уровня, который требует­ся для остановки трещины. С увеличением давления газа, диаметра трубопровода и толщины его стенки опасность появления таких разрушений увеличивается, особенно при низких температурах. Для исключения опасности протяженных разрушений можно либо использовать трубы из металла с высоким сопротивлением разви­тию разрушения, либо переходить к многослойным трубам из от­носительно тонких листов. Однако создание сталей с высоким со­противлением развитию разрушения требует введения легирующих добавок, которые дефицитны и дороги, а применение многослой­ных труб усложняет как технологию их изготовления, так и сварку кольцевых стыков на монтаже. Огромное народнохозяйст­венное значение трубопроводного транспорта для передачи газа на большие расстояния заставляет вести исследования в обоих направлениях.

8, Коррозия оболочковых конструкций

Большая часть сварных конструкций, подверженных воздейст­вию активных коррозионных сред, представляет собой конструк­ции оболочкового типа (реакторы, емкости, баллоны, трубопрово­ды). Коррозия определяется главным образом свойствами основ­ного и присадочного металла, агрессивностью среды, условиями напряженного состояния и технологией сварки. Существенное влияние на коррозию оказывают также температура, кавитация и другие физические эффекты. Наиболее типичными формами кор­розии являются сплошная, или общая, и местная. Местная кор­розия может быть межкристаллитной; если она происходит в зо­не перехода от шва к основному металлу, ее называют ножевой.

Общая коррозия имеет место в низкоуглеродистых сталях и в сварных соединениях сталей, алюминиевых сплавов (АМгб, АД) в атмосферных условиях, в соленой воде и т. д. Общая коррозия оценивается уменьшением массы, глубиной коррозии, изменением механических свойств за данный отрезок времени.

Местная межкристаллитная коррозия развивается в аустенит-ных сталях и в их сварных соединениях, например в среде азотной кислоты при разных концентрациях; межкристаллитная коррозия

281

наблюдается в сплавах и соединениях титана ВТ1-1, ОТ4 в раз­личных средах, а также в низкоуглеродистых сталях в щелочных растворах.

Неоднородность поля напряжений, как правило, оказывает незначительное влияние на общую коррозию, но заметно интен­сифицирует местные виды коррозии, наиболее опасным из которых является растрескивание. Переменные напряжения способствуют ускорению процесса растрескивания, при этом для коррозионно-усталостного разрушения характерно образование многих уста­лостных трещин на поверхности оболочки, а не только в местах концентрации напряжений, как это обычно наблюдается при на-гружениях в нейтральной среде.

Для конкретной среды и материала скорость роста трещины зависит от коэффициента интенсивности напряжений /С и его раз­маха К в пределах цикла нагружения — она возрастает по мере их увеличения. Так как /Си К зависят не только от условий цикла, но и от длины трещины то даже при сохранении пара­метров цикла неизменными с ростом длины трещины ве­личины /(и К растут. Поэтому увеличение трещины сопровожда­ется повышением скорости ее роста, причем процесс коррозионно­го разрушения особенно ускоряется при приближении коэффици­ента К к критическому значению

В сварных соединениях коррозионное разрушение происходит, как правило, быстрее, чем в основном металле. Это объясняется тем, что сварные соединения неоднородны. Они могут иметь:

• структурно-химическую неоднородность: макронеоднород­ность, определяемую наличием в соединении различных структур­ных зон, и микронеоднородность вследствие наличия зерен вклю­чений;

• неоднородность напряженного состояния и пластического деформирования;

• геометрическую неоднородность вследствие наличия дефек­тов формы и внутреннего строения (непровары, трещины), вызы­вающих концентрацию напряжений. Устранение перечисленных видов неоднородности способствует повышению стойкости сварных соединений против коррозионного растрескивания. С этой целью используют различные мероприятия. Так, при сварке аустенитных сталей в зоне высоких температур возникает структурно-химиче­ская неоднородность вследствие выпадения из раствора хрома, переходящего в карбид хрома. Обеднение стали хромом понижает ее коррозионную стойкость. Для устранения этого явления в сталь вводят легирующие элементы (титан, ванадий), связывающие углерод в карбиды.

Неоднородность поля напряжений и пластических деформаций связана главным образом с наличием остаточных напряжений. Проведение отпуска значительно снижает сумму напряжений в конструкции и улучшает сопротивление кор­розионному растрескиванию. Коррозионная прочность существен­но улучшается при снижении сварочных напряжений до уровня

282

Поэтому сварные сосуды и оболочки, работающие в корро­зионной среде, рекомендуется подвергать общему отпуску при температуре 500—600°С для снижения остаточных сварочных на--пряжений и восстановления пластических свойств. При изготовле­нии негабаритных оболочковых конструкций целесообразно под­вергать местному отпуску замыкающие кольцевые швы, выполняе­мые на монтаже.

Устранение вредного влияния геометрической неоднородности обеспечивается рациональным проектированием. Следует избегать образования концентраторов напряжений. В частности, опасным дефектом являются щели, где легко развивается щелевая коррозия. В этом от­ношении стыковые соединения лучше нахлесточных и тавро­вых. Целесообразно применять различные методы обработки поверхности ультразвуком, прокаткой, обкаткой для обра­зования сжимающих напряже­ний на поверхности, способ­ ствующих повышению стойко­сти против коррозии. Полезно использование технологиче­ских приемов. Например, когда коррозионные трещины воз­никают в зоне сплавления, имеет смысл выполнять швы стыковых соединений Т-образной формы, как показано на рис. 21.17. При таком оформлении шва линия сплавления располагается почти параллельно растягивающему компоненту напряжения. Поэтому даже в случае возникновения коррозионной трещины в зоне сплав­ления она будет распространяться перпендикулярно растягиваю­щему компоненту напряжения, т. е. по основному металлу, имею­щему более высокое сопротивление росту трещины.

Повышение коррозионной стойкости может быть получено при­менением защитных покрытий металлов: плакированием, металли­зацией, нанесением гальванических покрытий, окраской. Нанесен­ные покрытия способствуют торможению разрывов пленок, что является часто очагом пониженных потенциалов и началом корро­зионных разрушений.

Расчет несущей способности сварных конструкций оболочково­го типа с учетом эффекта коррозии производится согласно ГОСТ 14249—73.