С угловых швами
Угловые сварные швы являются очень важными элементами и присутствуют практически во всех конструкциях. На магистральных трубопроводах такие швы используются при установке ремонтных муфт, при изготовлении тройников, приварке усиливающих накладок, врезке штуцеров, патрубков и т.д. Однако изучению напряженного состояния и прочности элементов с угловыми сварными швами в трубопроводах уделяется явно недостаточное внимание. Подтверждением тому является большинство аварийных ситуаций, обследованных специалистами ГУП “ИПТЭР”, включая случаи, рассмотренные в предыдущих параграфах настоящей работы.
В некоторых других отраслях сварные соединения изучены более подробно. Значительные успехи в этом направлении достигнуты в научных школах Челябинска (ЮУрГУ [12, 98, 99]), Москвы (МВТУ [72]), С.Петербурга (политехнический университет). Наиболее значимые работы по угловым швам выполнены О.А. Бакши и его учениками (О.А. Бакши, Н.А. Зайцев, С.Ю. Гооге, Л.Б. Шрон). При этом установлены следующие закономерности (рис. 2.9):
1). Чем больше катеты угловых швов, тем выше прочность соединений.
2). В угловых точках В образуется сильная концентрация напряжений, подобная концентрации напряжений вокруг отверстия или трещины.
3) Другая такая же концентрация напряжений образуется вокруг точки А, которая является вершиной зазора.
4). Для снижения концентрации напряжений в области точки В рекомендуется выполнять плавный переход от металла шва к поверхности стенки трубы (например, закруглять остроту шлифмашинкой).
5) Чем больше радиус закругления в области точки В, тем выше прочность соединения.
6) Чем меньше угол a, образованный между поверхностью сварного шва и поверхностью трубы, тем выше концентрация напряжений.
|
|
7). Существует аналогия между силовыми линиями в задаче о напряженном состоянии и линиями течения в задаче о течении жидкости. При этом стенки деталей, по которым проходят силовые линии, можно представить как каналы для потока жидкости. Тогда скорость жидкости является аналогом напряжения (гидравлическая аналогия, рис. 2.10).
Пользуясь гидравлической аналогией можно наглядно представить картину напряженного состояния сварных соединений, и проследить зависимость прочности от формы и размеров сварного шва. На рисунке 2.9 показан ряд сварных соединений с угловыми швами, где каждое следующее обладает большей прочностью, чем предыдущее.
| Рисунок 2.9 – Ряд сварных соединений с угловыми швами в порядке повышения прочности. | 
.
|
Рисунок 2.10 – Фотоупругая картина напряженного состояния
соединения с угловым швом
На рисунке 2.10 показана фотоупругая картина, характеризующая поле напряжений в сварном соединении с равнокатетным угловым швом. В картине видно, что точки А и В являются трещиноподобными концентраторами напряжений (линии, собранные в “узел”, означают высокий градиент напряжений).
Фотоупругая картина показывает, и практика подтверждает, что разрушение сварных соединений с угловыми швами происходит по одной из траекторий, показанных на рисунке 2.11. При этом развитие трещины начинается либо с точки А, либо с точки В. Прочность определяется механическими свойствами металла сварного шва и металла основной трубы (механические свойства металла шва можно регулировать подбором электродов и режима сварки). Кроме того, прочность определяется длиной траектории разрушения.
|
|
| Рисунок 2.11 – Возможные траектории разрушения сварного соединения с угловым швом. | 
|
Таким образом, данные сведения позволяют по-новому взглянуть на изучаемые аварийные ситуации, предложить рекомендации по улучшению конструкций и повышению безопасности трубопроводов.