Определение прочности сварных соединений с дефектами не трещиноподобного типа в стальных корпусах судов

Судно — это сложное техническое сооружение повышенной опасности, жизненный цикл которого проходит в неблагоприятных условиях эксплуатации. Прочность, жесткость и непроницаемость корпуса судна — это те параметры, которые характеризуют его техническое состояние.

Потребность в ремонте у каждого судна неизменно возрастает с увеличением срока его службы.
Это происходит:

• во-первых, в результате естественного износа конструктивных элементов из-за дефектов,

• а во-вторых, вследствие случайных повреждений (поломок, аварий).

По официальным данным, средний срок эксплуатации судна в России превышает 30 лет, а большая часть всех судов эксплуатируются сверх нормативного срока.

В настоящее время в виду сложившейся экономической ситуации судостроительным предприятиям трудно изыскивать средства на обновление флота. При ремонте судна корпусные работы составляют до 30% от общего ремонта, и характеризуются зачастую тяжелыми условиями труда. Стоимость ремонта корпусов получается весьма высокой не только по основным материальным затратам, но и еще и потому, что судно на длительный срок выводится из эксплуатации. Дополнительные работы по ремонту дефектных участков сварных швов повышают сроки и трудоемкость постройки и ремонта судов. По этой причине большую актуальность приобретает возможность продления срока межремонтного периода эксплуатации судов.

Способность конструкций судна сопротивляться усталостным разрушениям (трещинам) от переменных нагрузок и разрушениям от экстремальных нагрузок (разрывам, пластическим деформациям и потерям устойчивости связей с нарушением их формы) является комплексным понятием, определяющим прочность всего сварного корпуса [4]. В соответствии с Правилами Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС) в части 14 «Сварка» [7] устанавливают нормативные требования к корпусу судна, исходя из двух основных критериев: усталостной и предельной прочности сварного соединения.

В результате эксплуатации на сварной корпус судна, который имеет наружную обшивку, верхнюю и нижнюю палубы, продольные и поперечные перегородки, выполненные из листовых элементов и соединенные герметичными сварными швами [1, 2], действуют статические, динамические и циклические нагрузки. При длительном действии на сварной корпус судна постоянных и переменных нагрузок, происходит постепенное накопление повреждений - износ, которые могут приводить к усталостному разрушению или потери несущей способности сварного шва. Это связано с тем, что на прочность сварного шва оказывают влияние внутренние сварочные дефекты, которые могут существенно снижать прочностные характеристики сварной конструкции, так как являются концентраторами напряжений.

Анализ случаев разрушения сварных конструкций, работающих в различных условиях, свидетельствует о том, что чаще всего их разрушение начинается от дефектов, возникающих в сварном соединении или в основном металле [10]. Дефекты не трещиноподобного типа сварочных швов (газовые и твердые неметаллические включения и др.) совершенно по-разному влияют на прочностные (технологические) и эксплуатационные свойства корпусной конструкции и ее сварных соединений при различных видах нагружения. Анализ методов проектирования корпусов судов (расчетный и по правилам классификационных обществ) [4, 6, 7], а также принципов оценки усталостной прочности сварного корпуса судна [3] и результатов исследований полей деформаций, эксплуатируемых судовых корпусов [8] позволяет сделать вывод о том, что используемые РМРС нормы дефективности сварных швов корпуса судна для дефектов не трещиноподобного типа, отражают только технологический уровень качества, а не эксплуатационный.

Прочностные (технологические) и эксплуатационные характеристики сварных соединений стального корпуса и механизм разрушения при наличии разнообразных внутренних дефектов и специфического набора нагрузок можно разделить по характеру развития разрушения и последствиям, оказывающим влияния на прочность всего корпуса судна. В соответствии с требованием Правил РМРС [7] оценка качества (надежности) сварных соединений корпуса судна базируется на ИСО 5817 [11] и подразделяется на 3 уровня дефективности, а классификация дефектов осуществляется в соответствии с ИСО 6520-1. Критерии допустимости каждого из дефектов определяются в зависимости от присвоенного сварной металлоконструкции уровня качества по ИСО 5817 [11] и выбранного метода неразрушающего контроля, который осуществляется в соответствии с ИСО 17635.

На рисунке 1 рассмотрена общая схема формирования уровня качества (надежности) сварного соединения, где на графике вдоль оси «H» указывается изменение уровня качества сварного шва в течение времени «t». Этот процесс целесообразно рассматривать как серию условных потерь качества свариваемого металла за счет изменения его свойств. Значения потерь технологического (∆_m) и производственно-технологического (∆_nm) качества могут быть определены в единицах показателей работоспособности по результатам соответствующих разрушающих испытаний [9].

Рис. 1. Общая схема формирования уровней качества для сварных соединений

Анализ требований РМРС [7] для рентгенографического метода контроля в части оценки типа и размера внутренних дефектов в наружной обшивке стального корпуса для уровней качества 1, 2 и 3 показал, что она имеет нелинейный вид и позволяет найти зависимость между шириной шва (Wp) и допустимым количеством отдельных пор, равномерным распределением пористостей, а также скоплением пор (рис. 2).

Рис. 2. График изменения уровня качества сварного шва тип С17 в зависимости от ширины шва (Wp) и допустимой площади дефектов [A_деф]

В соответствии с результатами исследования [9], при статистических нагрузках для металла сварного шва, обладающего пластичностью, потеря его прочности примерно пропорциональна общей площади -

внутренних дефектов или непроваров (рис. 3 – область «Статика»). Следует отметить, что авторами исследования приводятся данные по незначительному изменению несущей способности стыковых сварных соединений (особенно с усилением сварного шва) при

а иногда до 20÷30% от площади плана шва Wp х L, где L - любые (с наибольшей плотностью дефектов 100 мм длины шва).

Сравнительно небольшие дефекты при воздействии на сварной шов динамической или вибрационной нагрузок, оказывают существенное влияние на прочность (рис. 3 – область «Усталость»). Это приводит к тому, что нарушается функциональная связь в виде линейной пропорциональностью между потерей работоспособности и размерами дефекта [9].

На рисунке 3 приводится результат использования рентгенографического метода контроля для выявления внутренних дефектов сварного стыкового шва и общий расчетный уровень дефективности g=5%, который позволяет по графику (точки А, Б – область «Статика» и В, Г – область «Усталость») определить диапазоны возможного разрушения сварного шва от действия статических и динамических нагрузок при заданном уровне дефективности. Выявленные дефекты – одиночные поры (d_max=0.4…0,5≤4 мм, g0.15%), скопление пор (d_max=1…1.5≤15 мм, n=4…15. g2.48%), которые снижают прочность и плотность [9] по отдельности не превышают допускаемых значений для 1-3 уровня качества сварного шва.

Прогнозируемая прочность сварного соединения на рисунке 3 с учетом общего показателя дефективности сварного шва при статических нагрузках составит σ_в.св=(0,93…0,96)σ_в.м, а при динамических нагрузках σ_в.св = (0,51…0,59)σ_в.м. Из трех типов дефектов по нормам РМРС ремонту подлежит только скопление шлаковых включений (g2.37%), что уменьшит общую дефектность до g=2,63% (точки А₁, Б₁, В₁, Г₁) и обеспечит требуемые технологические качества сварного соединения.

Рис. 3. Характер влияния суммарной относительной площади внутренних дефектов

% на прочность сварных стыковых швов

по отношению к прочности основного металла

Снижение дефектности сварного шва за счет ремонта внутренних дефектов приводит к ситуации, когда в сварном шве практически полностью отсутствуют или имеются определенного типа технологические дефекты, уровень которых не превышает значений, указанных в нормативных документах. Это позволяет обеспечить заданный уровень качества, но не гарантирует, что в процессе расчетной эксплуатации сварного корпуса судна не образуются дефекты трещиноподобного типа [8] (зона корпуса судна D) из имеющихся в сварном шве технологических дефекты не трещиноподобного типа рис. 4.

Исходя из этого можно сделать вывод, что при расчете прочности сварного шва с внутренними технологическими ДНТ необходимо учитывать вероятность его развития в ДТТ эксплуатационного характера.

Рис. 4. Распределение дефектов сварных швов в процентах от общего числа по основным зонам судна

Анализ нормативных и научных источников, посвященных проблемам обеспечения безопасной эксплуатации сварных корпусов судна позволил сделать следующие выводы:

1. Процесс изготовления сварных корпусов судов регламентирован нормами качества, изложенных в РМРС, где установлены критерии качества сварных швов в отношении допустимого количества внутренних дефектов. Сварочные дефекты являются неотъемлемой частью процесса изготовления сварочных швов, что может приводить к увеличению стоимости изготовления корпусов судна за счет проведения ремонтных работ. Установленные правилами РМРС нормы носят технологический характер и являются достаточно жесткими по отношению к условиям эксплуатации корпусов судов.

2. При расчете прочности сварного шва с внутренними технологическими ДНТ необходимо учитывать вероятность его развития в ДТТ эксплуатационного характера.

Литература:

1. Овчинников, В.В. Производство сварных конструкций: учебник для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы среднего профессионального образования / В. В. Овчинников. - Москва: Форум, Москва: ИНФРА-М. - 2017. - 287 с.

2. Технология изготовления сварных конструкций: Учебник / В.В.Овчинников - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М. - 2015. - 208 с.

3. Коростылёв Л.И. Анализ и классификация методов оценки усталостной прочности сварных тонкостенных конструкций корпуса судна / Л.И. Коростылёв, Д.Ю. Литвиненко. - Вестник ГУМиРФ им. Адм. С.О. Макарова. – 2016. - 3(37). – с.104-118

4. Проектирование конструкций корпуса судна: Учебное пособие / Чижиумов С.Д., Бурменский А.Д. – Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ». - 2006. - 117 с.

5. Технология и оборудование сварочного производства. Учебное пособие /С.Ф. Демичев, А.В. Рясный, А.Л. Усольцев. — Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2010. — 78 с.

6. Российский морской Регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Корпус. - СПб.: ФАУ «РМРС». - 2018. - Т.2. - 205 с.

7. Российский морской Регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Сварка. - СПб.: ФАУ «РМРС». - 2019. - Т.14. - 105 с.

8. Королев В. В. Исследование полей деформаций судовых корпусов / В. В. Королев, Н. Е. Жадобин // Эксплуатация морского транспорта. – 2008. - №3(53). – С. 73-75.

9. Контроль качества сварки: учебное пособие для машиностроительных вузов / под. ред. В.Н. Волченко – М.: Машиностроение, 1975. – 328 с.

10. Деев Г. Ф. Дефекты сварных швов / Г. Ф. Деев, И. Р. Пацкевич. Киев: Наук. думка, 1984. – 208 с.

11. ГОСТ Р ИСО 5817-2009. Сварка. Сварные соединения из стали, никеля, титана и их сплавов, полученные сваркой плавлением (исключая лучевые способы сварки). Уровни качества. – Введ. 2011-01-01. – М.: Стандартинформ, 2011. – 23 с.