§ 14.1. Состояние вопроса

Традиционно считают основными два метода расчета сварных соединений: на статическую прочность и на прочность при переменных нагрузках. Применение их регламентировано различными норматив­ными документами, которые обязательны для типового проектирования. В качестве одного из основных требований при разработке нормативных документов до последнего времени было обеспечение простоты расчета. В некоторых случаях это достигалось ценой снижения экономичности и долговечности сварных конструкций. Работы последнего периода в основном направлены на устранение указанных двух недостатков. Во — первых, вводится учет различной прочности отдельных участков соеди­нения в зависимости от направления силы в них. Это в ряде случаев позволяет проектировать конструкции более экономичными в отноше­нии объема наплавляемого металла. Во-вторых, ведутся работы и достигнуты успехи в создании численных методов расчета, позволяющих учесть концентрацию деформаций и напряжений в сварных соедине­ниях, что открывает возможность применения более прочных, но менее пластичных присадочных металлов. Одновременно это позволяет проводить обоснованные расчеты на статическую прочность в условиях понижения пластичности материала при применении высокопрочных металлов и в условиях низких температур.

Расчет на прочность при переменных нагрузках сварных соедине­ний с угловыми швами еще недостаточно учитывает концентрацию напряжений. Такое положение объясняется отсутствием хорошо разра­ботанных методов определения концентрации усилий, передаваемых сварными соединениями, слабым развитием работ по изучению напря­женно-деформированного состояния сварных соединений и общей тео­рии потенциально слабого звена, каким являются сварные соединения.

Попытки учесть в определении пределов выносливости сварных соединений радиусы перехода швов к основному металлу, остаточные напряжения в соединениях и форму шва следует рассматривать как средства для оценки пределов влияния этих факторов.

Ввиду решающего влияния на весовые показатели сварных конст­рукций их расчета при переменных нагрузках проблему количественного учета концентрации напряжений при проектировании сварных конст­рукций следует рассматривать как первостепенную.

Продолжает оставаться в официальных документах по расчету сварных соединений неочерченной граница между расчетом на статичес­кую прочность и на прочность при переменных нагрузках. ‘

Сложившиеся методы расчета исходят из полной сплошности металла сварных соединений. В действительности это обеспечить довольно трудно [2]. Из этого вовсе не следует, что расчеты сварных соединений с несплошностями должны быть отнесены к категории проектных. Однако как контрольные такие методы расчетной оценки опасности обнаруженных и трудно устранимых дефектов должны быть развиты и узаконены. В этих случаях обоснованность тех или иных принимаемых решений должна базироваться на научных положениях.

Существенное значение для некоторых видов сварных конструкций приобретает оценка их работоспособности, связанная с сопротивлением развитию разрушения. Например, для газопроводов после появления в них локальных разрушений, причины которых не могут быть заранее предсказаны, важным является нераспространение разрушения на большие расстояния.

В заключении настоящего параграфа целесообразно дать схему взаимосвязи излагаемых в настоящей главе различных методов расчета на прочность при статических и переменных нагрузках. По осям на рис. 14.1.1 отложены степень концентрации напряжений а, логарифм номинального (среднего) напряжения и логарифм числа циклов нагру­жения. Наименьшей концентрацией обладают соединения стыковые и специально обработанные (группа 1). Далее идут соединения с угловыми швами с естественной концентрацией напряжений (группа 2). Наиболь­шую концентрацию могут дать трещиноподобные несплошности, которые встречаются в разных видах сварных соединений (группа 3). Очевидно, что во 2 и 3 группах также может быть невысокий уровень концентрации, близкий к уровню 1-й группы. На рис. 14.1.1,а в левой части схематично показано понижение статической прочности с ростом концентрации напряжений, а справа зависимость прочности при переменных нагрузках от числа циклов для первой группы соединений.

Здесь имеется область А квазистатического разрушения, область В усталостного разрушения и область С неограниченной долговечности. В ряде случаев во всем диапазоне числа циклов N расчеты могут бьггь выполнены достаточно точно: на участке PR (рис. 14.1.1,6) либо по условию нестабильного разрушения, либо по условию наступления текучести; на участке RF — по условию ограниченной долговечности, а на участке правее F — по условию неразрушимости в течение любого числа N. Если данных для проведения расчетов оказывается недоста­точно, то можно в запас прочности уменьшить область RF, переместив точку F в точку Q при N = 10s.

б)