Анализ причин разрушения сварных конструкций подводных лодок из сплава титана » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Анализ причин разрушения сварных конструкций подводных лодок из сплава титана

02.11.2020

Постройка таких крупных и сложных сварных конструкций, как подводные лодки из титана, производится в России и за рубежом впервые. Естественно, что с применением титановых сплавов в качестве конструкционного материала для корпусов глубоководных подводных лодок среди прочих возникла проблема обеспечения работоспособности основного металла и сварных соединений. При создании конструкций необходимо учитывать специфические особенности титанового сплава, существенно отличающегося по своим свойствам от ранее применявшихся корпусных материалов. В начальный период при подготовке к строительству опытных подводных лодок технология производства титановых полуфабрикатов и сварочных материалов, а также технология сварки были на уровне тех знаний, которые существовали к концу пятидесятых годов и основывались на опыте применения титана главным образом в авиационной и химической промышленностях. Опыта изготовления крупных сварных судостроительных конструкций из титановых сплавов не было.

По мере увеличения объема работ и накопления опыта постройки, а затем при испытаниях опытных и штатных конструкций были обнаружены различного рода трещины и разрушения, ранее не встречавшиеся при строительстве корпусов подводных лодок из стали. Для устранения возможности появления таких повреждений необходимо было тщательно изучить причины их возникновения.

Трещины, обнаруженные при изготовлении и испытании конструкций, можно разделить на три категории: I — трещины в сварных швах, возникающие из-за нарушения технологии сварки (технологические трещины); II — трещины, выявленные на тонколистовых конструкциях; III — трещины и разрушения, образовавшиеся в конструкциях прочного корпуса в местах сопряжения жестких связей при приложении активных нагрузок.

В настоящей работе рассматриваются причины образования трещин трех указанных категорий.

Технологические трещины


Эти трещины появляются, как было указано, в результате нарушений технологии сварки. Как правило, если качество основного металла высокое, эти трещины при отсутствии активных нагрузок локализуются в сварном шве, не распространяясь в основной металл. Такие трещины начали появляться при изготовлении первых опытных конструкций и количество их было весьма велико, так как новые технологические процессы сварки в производственных условиях находились в стадии освоения. По мере приобретения опыта и совершенствования технологии количество трещин стало уменьшаться, несмотря на увеличивающийся объем сварочных работ.
Анализ причин разрушения сварных конструкций подводных лодок из сплава титана

На рис. 1 по горизонтальной оси отложены даты изготовления отсека СМТ-60-1 и блоков подводных лодок, по оси ординат отложен коэффициент а, представляющий отношение количества трещин, обнаруженных после гидравлических испытаний данного блока, к объему наплавленного металла (в тоннах). Данные, по которым построен график, приведены в табл. 1.

Что же является основной причиной возникновения этих трещин? В настоящее время считается неоспоримым, что появление таких трещин связано с окислением металла шва. Попадая в расплавленный металл, кислород растворяется в нем. После затвердевания металла атомы кислорода внедряются в кристаллическую решетку титана, искажают ее и этим увеличивают прочность и уменьшают предельную пластичность и сопротивление развитию трещин. Известно, что при содержании 0,1% О2 временное сопротивление чистого титана увеличивается на 15 кгс/мм2.

Трещины появляются в охрупченном металле под действием остаточных сварочных напряжений растяжения либо по мере изготовления конструкции при нарастании реактивных напряжений.

Основными источниками кислорода являются защитная атмосфера, основной и присадочный материалы Проникновение кислорода в шов из основного и присадочного металла маловероятно, так как его содержание ограничено и составляет соответственно 0,15 и 0,12%. Наибольшую опасность представляет возможность попадания кислорода из газовой фазы. Для получения хорошей защиты при любом способе сварки необходимо: 1) обеспечить ламинарное истечение защитного газа из сопла горелки; 2) расходовать инертный газ в достаточном количестве; 3) выдерживать определенное расстояние между торцом сопла и изделием; 4) ограничить скорость поперечного потока воздуха величиной 0,5 м/сек; 5) обеспечить газовую защиту нагретого конца присадочного прутка во избежание его окисления.

Выполнение этих условий зависит в основном от квалификации рабочего-сварщика, поэтому особое значение приобретают методы контроля за соблюдением основных параметров технологического процесса сварки.

Сейчас используются три вида контроля: контроль качества защитного газа путем химического анализа и определения влажности газа замером точки росы, проверка исправности газовых коммуникаций, горелки и другого оборудования пробой «на пятно» и контроль за правильностью расхода защитного газа с помощью ротаметров или расходомеров.

Однако даже этими мерами невозможно полностью исключить случайные нарушения защиты и насыщение металла шва кислородом. Современными неразрушающими методами контроля качества сварных швов (замеры твердости, люминесцентный контроль) не всегда можно обнаружить такой дефект, особенно в случае его расположения в корне шва или между валиками. Например, при многослойной сварке на определенной длине одного из средних валиков в результате кратковременного нарушения защиты появилась кислородная трещина При наложении последующих валиков трещина оказывается в середине шва и после окончательного выполнения шва ни одним из упомянутых методов контроля ее обнаружить невозможно. Трещины такого типа распространяются на глубину и длину окисленного участка и не выходят в окруживающий пластичный металл.

Появление трещин в окисленном металле не сопровождается пластическими деформациями, т. е. разрушение носит хрупкий характер. Следует полагать, что образование трещин начинается с зародыша, который представляет собой микродефект структуры или микротрещину, образовавшуюся в металле при малых пластических деформациях. Дальнейший рост трещины происходит под влиянием нормальных напряжений достаточно легко, так как работа по распространению трещины в металле с высоким содержанием кислорода чрезвычайно мала.

Появление кислородных трещин наблюдалось как непосредственно после сварки, так и после значительных (до 3—4 месяцев) выдержек, причем иногда эти трещины появлялись в швах конструкции только при испытаниях в процессе приложения высоких активных нагрузок. Таким образом, в некоторых случаях речь идет о временном характере разрушения. Обычно механизм такого разрушения связывают с повышенным содержанием водорода. Однако в металле шва, выполненного присадочной проволокой марки BT1, содержание водорода не превышает 0,003—0,004%, поэтому нет оснований считать, что наличие водорода является причиной возникновения этих трещин. Очевидно, временной характер разрушения связан с содержанием кислорода в окисленном объеме металла. Контрольные анализы показали, что содержание кислорода в металле в районе трещины может колебаться от 0,25 до 2%. При содержании 0,35% O2 относительное удлинение титана падает до 5—6%, а прочность возрастает до 90 кгс/мм2. При содержании 2% O2 характеристики пластичности практически равны нулю. В первом случае трещины образуются либо через 3—4 месяца после сварки, либо после приложения активных нагрузок. По мере изготовления сварной конструкции увеличиваются ее жесткость и уровень реактивных напряжений. В объемах металла шва с повышенным содержанием кислорода затруднено пластическое течение металла, слабо протекает процесс релаксации напряжений, в результате чего под влиянием касательных напряжений появляется микротрещина, распространяющаяся далее по всему объему охрупченного металла. Если напряжения, возникающие в период изготовления конструкции, недостаточны для образования микротрещины, то ее появление может инициироваться при гидравлических испытаниях, когда напряжения увеличиваются за счет приложения активных нагрузок. В случае высокого содержания кислорода в шве трещины могут образовываться непосредственно после сварки, так как пластичность металла весьма мала, и собственно сварочные напряжения достаточны для появления и распространения трещины.

Приведенная схема появления трещин показывает, как важно соблюдать стабильную защиту зоны сварки инертными газами. В ряде случаев сохранение высококачественной защиты затруднено трудно-доступностью и затесненностью отдельных мест конструкции. В таких узлах возникают завихрения потока газа, нарушается ламинарное истечение его из сопла горелки и воздух попадает в зону нагретого до опасных температур металла Наиболее характерными узлами с этой точки зрения являются пространственный трехгранный угол, образуемый пересечением набора при малой его высоте, а также обварка торцов книц и шпигатов. В первом случае в вершину угла трудно добраться горелкой и обеспечить защиту, во втором — происходит рассечение газового потока с турбулентными завихрениями

Применяя защитные экраны и малогабаритные горелки, удается даже в таких узлах свести до минимума местные окисления. Ho учитывая специфику производства и громадный объем сварочных работ, нельзя дать полной гарантии в том, что кислородные трещины будут отсутствовать. В связи с этим особое значение приобретают методы контроля качества сварных швов.

В настоящее время основными методами выявления окисленных мест являются люминесцентный контроль и замер твердости поверхности шва. Люминесцентный метод контроля с большой степенью надежности позволяет определить трещины на поверхности металла. Замеры твердости, осуществляемые при инспекторском контроле с помощью переносного автоматического керна, позволяют выявить окисленные места и своевременно предупредить появление трещин. Совместно с визуальным контролем по цветам побежалости этими методами можно выявить большинство трещин и окисленных мест.

Все обнаруженные на конструкции трещины подлежат удалению с последующей заваркой для предотвращения возможности выхода их в основной металл в процессе эксплуатации. Как уже отмечалось, трещины локализуются в охрупченном металле и даже при действии активных нагрузок они редко распространяются в основной металл, если он отвечает требованиям технических условий по пластическим свойствам. На одном из этапов испытания отсека СМТ-60-1 было оставлено около 200 трещин, и даже после 250 нагружений до предельного давления 40 кгс/мм2 эти трещины практически не увеличились по длине и тем более не привели к каким-либо значительным повреждениям прочного корпуса. Тем не менее за период постройки корпусов подводных лодок из сплава 48-ОТЗВ был осуществлен ряд мероприятий, направленных на дальнейшее снижение количества технологических трещин. К числу их, в частности, относятся: 1) повышение качества сварочной проволоки (содержание кислорода в ней снижено до 0,12%, улучшено качество поверхности); 2) улучшение качества сварочной аппаратуры (созданы более совершенные конструкции горелок и различных приспособлений для обеспечения надежной защиты сварных швов; в схему сварочных постов введены устройства для автоматического управления процессом включения и выключения инертного газа; 3) повышение чистоты аргона и гелия по вредным примесям (чистота аргона увеличена до 99,99% при гарантированной точке росы -50°); 4) отработка технологии и техники сварки (большинство сварщиков получило высокую квалификацию и приобрело большой производственный опыт); 5) разработка и внедрение системы всеобъемлющего контроля по всем операциям.

В заключение следует отметить, что полное отсутствие технологических трещин будет обеспечиваться в крупногабаритных обитаемых камерах с контролируемой атмосферой объемом 1500—3000 м3.

Трещины, обнаруженные на тонколистовых конструкциях легкого корпуса


При изготовлении конструкций легкого корпуса подводных лодок было обнаружено значительное количество трещин, которые по своему характеру отличались от трещин на прочном корпусе. Материал и технология сварки, принятые для изготовления легких конструкций, были такими же. как при изготовлении конструкций прочного корпуса. Трещины на легких конструкциях обнаруживались как непосредственно после сварки или газовой резки, так и спустя 2—6 месяцев после изготовления конструкций.

Все эти трещины по районам их появления можно разбить на 2 группы: 1) трещины, идущие от кромок, выполненных газовой резкой, и 2) трещины в районе сварных соединений.

Количество трещин первой группы оказалось очень большим. Они были обнаружены как на кромках вырезанных и хранящихся на складе деталей (отдельные кромки были покрыты ими сплошь), так и на готовых конструкциях (на свободных кромках и вырезах). Длина трещин колебалась в основном в пределах 3—35 мм. В отдельных случаях наблюдалось появление и больших трещин — размерами до 300 мм. Фиксация первичного размера трещины и измерение ее длины во времени показали, что в отдельных случаях трещины растут со скоростью 0,2—0,4 см в сутки.

Для установления причин появления трещин обеих групп рассмотрим особенности изготовления легких конструкций, а также качество материалов, из которых они изготовлены.

Особенности изготовления легких корпусных конструкций


Подавляющее большинство легких корпусных конструкций изготовлено из листов толщиной 5—9 мм. При газовой резке листов такой толщины возникают значительные деформации, несравнимо большие, чем у листов толщиной 12—60 мм, из которых изготавливали прочные конструкции. Большие деформации деталей после газовой резки увеличивают объем правки на правильных вальцах. Правка деталей малых толщин проходит труднее, чем деталей большой толщины. Для проведения правки требуется большее количество проходов и меньшие зазоры между валками, чем при правке более толстых деталей. Поверхность кромок тонколистовых деталей после газовой резки неровная и имеет значительное количество выхватов и прижогов.

Существенные отличия имеет и сварка тонколистовых конструкций. Прежде всего обращают на себя внимание большие деформации в районе набора, возникающие при сварке. Для устранения деформаций применяется правка конструкций путем наложения так называемых правочных валиков с помощью ручной аргоно-дуговой сварки вольфрамовым электродом с применением присадки. Поперечная усадка валика вызывает усилия, приводящие к выравниванию бухтины.

В условиях запрещения продольной усадки валика из-за находящегося под ним ребра жесткости продольные напряжения в конструкции значительно возрастают. Величина этих напряжений, как показано в работе, составляет 0,7 о0.2. Известно, что общее поле остаточных напряжений, возникающих в конструкции, существенно зависит от объема правки. Второй особенностью сварки тонколистовых конструкций является нагрев до высоких температур (> 900°) основного металла со стороны, обратной приварке набора. Это предопределяет необходимость защиты основного металла при приварке набора не только со стороны сварки, но и с обратной стороны. Рассмотрим, как влияют перечисленные выше особенности изготовления тонколистовых конструкций на склонность к образованию в них трещин.

На кромках деталей после газовой резки имеется газонасыщенный слой глубиной 0,3—0,5 мм, отличающийся от основного металла высокой твердостью и низкой пластичностью. Естественно поэтому ожидать, что при повторных деформациях металла при правке в вальцах на кромках могут возникать трещины. Обязательной операцией поэтому является удаление следов газовой резки перед правкой деталей. При неровной поверхности реза, наличии выхватов может возникнуть положение, когда дно выхватов и неровностей совпадет с линией разметки, определяющей чистовые размеры детали. В этих случаях газонасыщенный металл остается на поверхности кромок даже после их механической обработки. Проверка состояния технологии на одном из судостроительных заводов, показала, что подобные случаи имеют место. Наличие пятен газонасыщенного слоя на механически обработанных кромках деталей может привести к образованию трещин при правке или при сварке деталей. Трещины в последнем случае располагаются в корне шва и под действием поля остаточных напряжений могут постепенно выходить в основной металл.

Другой причиной образования трещин в тонколистовых конструкциях является нагрев до высоких температур основного металла со стороны, обратной приварке набора. В условиях отсутствия газовой защиты основного металла со стороны, обратной приварке набора, на поверхности возникают цвета побежалости от синего до светло-серого цвета, свидетельствующие о разогреве металла до температур более 1000°. Несмотря на непродолжительность нагрева, глубина газонасыщенного слоя основного металла может быть достаточно велика (-0,5 мм), поскольку температура по мере удаления от поверхности и приближения к месту сварки повышается, в результате чего создаются условия для интенсивной диффузии кислорода в глубь металла.

При изготовлении тонколистовых конструкций, как показали результаты обследования их на судостроительных заводах, защита основного металла при приварке набора в ряде случаев не осуществляется или качество ее оказывается неудовлетворительным. Удаление возникших на основном металле цветов побежалости без контроля глубины зачистки далеко не всегда приводит к полной ликвидации в этих местах остаточного газонасыщенного слоя. Последующее наложение правочных валиков на окисленный металл и наличие поля остаточных сварочных и реактивных напряжений приводят к появлению трещин как непосредственно после сварки, так и в процессе вылеживания конструкций, без приложения активных нагрузок.

Качество материала тонколистовых конструкций, в которых обнаружены трещины


Для оценки качества металла, из которого изготавливались тонколистовые конструкции, производилась проверка его механических свойств и химического состава.

Механические свойства металла конструкций, в которых были обнаружены трещины, в подавляющем большинстве случаев были в пределах требований технических условий. Однако при проверке химического состава (анализ производился спектральным методом и контролировался методом вакуум-нагрева) было обнаружено отклонение по содержанию водорода (0,0076—0,02%). В подавляющем большинстве случаев содержание водорода находилось в пределах 0,012—0,014%. He останавливаясь здесь на причинах повышенного содержания водорода в листах по сравнению с требованиями технических условий, скажем лишь, что они были связаны с нарушениями технологического процесса изготовле ния листов на металлургическом заводе.

Металлографический микроструктурный анализ шлифов, вырезанных поперек кромки газового реза из листов с содержанием 0,003 и 0,015% H2, показал наличие гидридных выделений в структуре.

В зависимости от содержания водорода характер и величина гидридных пластинок в зоне термического влияния газовой резки оказались различными. При содержании в металле 0,015% H2 в районе газового реза наблюдается интенсивное выделение крупных пластин гидридной фазы. По мере удаления от границы реза в основной металл характер распределения гидридной фазы меняется незначительно. При содержании в металле 0,003% H2 положение резко меняется. Гидриды обнаруживаются в виде мелкодисперсных выделений лишь в районе газового реза и количество их значительно меньше, чем в соответствующей зоне шлифа, содержащего 0,015% H2. По мере удаления в глубь металла гидридные выделения исчезают совсем.

В обоих случаях (0,003 и 0,015% H2) после травления шлифа район газового реза отличается от остального поля более темным цветом, что косвенно свидетельствует о повышенном содержании кислорода- Замером микротвердости подтверждено наличие в районе газового реза повышенного содержания кислорода. Здесь всегда наблюдается большое количество надрывов. Ширина зоны термического влияния газовой резки во многом определяется ее режимами. При малой мощности пламени, малых скоростях резки качество реза ухудшается, так как происходят перегрев кромок и интенсивное их окисление.

Распределение водорода по линии, перпендикулярной линии реза, определенное методом спектрального анализа, подтверждает результаты авторадиографического исследования распределения водорода в сварных швах при помощи радиоактивного трития и показывает, что максимальное содержание водорода находится на расстоянии 0,6—1,0 мм (т. е. у линии расплавления металла) от кромки реза. Это свидетельствует о том, что термический цикл резки способствует перераспределению водорода. Такое же перераспределение водорода может быть и в зоне термического влияния при сварке. В силу малых размеров зоны изучить влияние различных термических циклов сварки непосредственно на сварных соединениях не представляется возможным, и поэтому исследования были проведены на установке Родигина (по методике, близкой к методике ИМЕТ) путем имитации различных термических циклов. Для исследования были использованы листы с содержанием 0,01 и 0 018% H2. Микроструктура основного металла в исходном состоянии была крупнозернистой, грубого пластинчатого строения, микроструктура материала, содержашего 0,01 % H2, имела обычное мелкозернистое строение, характерное для тонкого листа сплава 48-ОТЗВ после термической обработки (рис. 2). Значения ударной вязкости основного металла с различным содержанием водорода при разной остроте надреза и разных температурах (20 и -40°) при различных исходных содержаниях водорода сильно отличаются друг от друга.

Так, для листа с содержанием 0.01% H2 ан = 8 кгс*м/см2, а при содержании 0,018% H2 ан = 2,3 кгс*м/см2 (острый надрез, tисп = -40°). Из обработанных на установке Родигина заготовок вырезались образцы на удар и статический изгиб. Результаты испытаний показали, что при малых скоростях охлаждения (-30 град./сек.) ударная вязкость образцов с круглым и острым надрезами при температурах испытания 20 и -40° практически не меняется при исходном содержании водорода 0,01% и несколько увеличивается при содержании 0.018% H2. При быстром охлаждении (-300 град./сек.) при высоком содержании водорода, остром надрезе и низкой температуре испытаний (т. е. при тех условиях, когда водородная хрупкость проявляется наиболее полно) ударная вязкость заметно уменьшается. Даже при содержании 0.01% H2 в случае острого надреза и низкой температуры испытаний значения ударной вязкости падают до 4,6 кгс*м/см2. Исследование микроструктуры показывает. что гидриды имеются при любом содержании водорода (0,01—0,018%).

Испытания образцов с острым надрезом на статический изгиб подтвердили вредное влияние водорода на сопротивляемость металла распространению трещин. При повышенном содержании водорода на диаграммах статического изгиба наблюдаются резкие срывы.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что применение при сварке легкого корпуса больших погонных энергий (скорости охлаждения 30—50 град./сек.) при содержании водорода в основном металле не более 0,01% не приводит к какому-либо изменению свойств и структуры металла околошовной зоны. При увеличении содержания водорода до 0,018% и малых скоростях охлаждения вязкость металла снижается. Увеличение скоростей охлаждения при повышенном содержании водорода приводит к охрупчиванию металла зоны термического влияния (при данной системе легирования) и не может быть рекомендовано для улучшения ее свойств.

Известно, что при повышенном содержании водорода и его локализации в отдельных местах происходит резкое снижение сопротивляемости металла развитию трещин. Поэтому трещины, возникшие как на кромках после газовой резки, так и в основном металле при приварке набора, в металле с повышенным содержанием водорода легко развиваются под действием поля остаточных напряжений.

Учитывая, что большинство трещин на конструкциях появляется и распространяется во времени, представлялось интересным испытать пробы, где наряду с остаточными действовали бы и высокие активные напряжения. Для этой цели были применены проба и методика, разработанные Т.А. Дегтярем. В центр пластины размером 750х750х5 мм вваривался вварыш диаметром 250 мм. Пластина ставилась в приспособление и нагружалась до 0,86о0,2. Всего было изготовлено шесть проб с содержанием водорода 0,0076, 0,0079, 0,0086, 0,013, 0,015 и 0,018%. Проба, содержащая 0,0086% H2, разрушилась при нагружении от центрального отверстия вследствие концентрации напряжений у острой кромки и в расчет не принималась. Результаты испытания остальных проб приведены в табл. 2, из которой видно, что существует прямая закономерность влияния содержания водорода на время до раз рушения. При высоком уровне напряжений опасным является содержание водорода, превышающее 0,008%.

Трещины в узлах прочного корпуса, возникшие в процессе приложения активных нагрузок


В третью категорию можно объединить все те разрушения, которые возникают в процессе испытаний натурных опытных и штатных корпусных конструкций и связаны с конструктивной прочностью сварных узлов. Прежде чем перейти к рассмотрению причин этих разрушений, целесообразно привести некоторые понятия и определения, используемые в дальнейшем.

В основах современной теории надежности судовых корпусных конструкций вводятся понятия микро- и макроконцентраторов напряжений. Многообразие производственных дефектов типа мелких механических повреждений, которые всегда встречаются в крупных металлических конструкциях в виде расслоев, надрубов, пор в сварных швах и т. п., сводится к наличию в металле острых микроконцентраторов напряжений и деформаций В частности, технологические трещины должны классифицироваться как микроконцентраторы напряжений. Большинство дефектов этого типа не может быть обнаружено современными методами контроля, а при обнаружении их не всегда можно устранить. В любой реальной конструкции имеется достаточно большое количество разнообразных микроконцентраторов, поэтому изучить влияние каждого из них на работоспособность практически невозможно. Однако оказывается, что увеличение остроты концентратора не беспредельно снижает прочность образца. Существует некоторый предельно острый микроконцентратор: дальнейшее повышение остроты надреза не приводит к уменьшению работоспособности материала. Таким образом, испытывая конструкцию с предельно острым микроконцентратором, можно не учитывать всего многообразия дефектов, которые могут появиться в процессе ее изготовления.

В отличие от микроконцентраторов, создающих локальные возмущения силового потока в малых объемах, соизмеримых с размерами самого дефекта, концентрации, захватывающие достаточно большие зоны, являются макроконцентраторами. Макроконцентраторы появляются в районах резкого изменения формы и жесткости конструкции, например в узлах пересечения балок набора, в местах притыкания жестких связей к обшивке прочного корпуса и т. п. Подобно микроконцентратору влияние макроконцентратора на прочность теоретически оценить невозможно, так как большинство подобных узлов не может быть точно рассчитано. Существенное отличие состоит в том, что для макроконцентратора нельзя указать предел, до которого он может снижать прочность конструкции.

Конструктивной прочностью называют способность материала, имеющего микроконцентраторы, воспринимать без разрушения эксплуатационные усилия и деформации при наличии локальных возмущений от макроконцентраторов. Само определение макроконцентратора и конструктивной прочности указывает на то, что их исследование может вестись только экспериментальным путем в условиях, приближающихся к натурным. Именно с этой целью за последние 5—6 лет были изготовлены и испытаны большое количество крупногабаритных сварных образцов, ряд простейших конструкций, имитирующих отдельные сварные узлы, и, наконец серия натурных опытных отсеков СМТ-60-1, СМ-11, CM-13, CM-14, ДМ-12. Результаты кратковременных и длительных статических и повторностатических испытаний крупногабаритных образцов, проведенных в ЦНИИ им А.Н. Крылова, показали, что основной материал (сплав 48-ОТЗВ), присадочный материал (сплав BT1) и принципиальная технология сварки удовлетворяют требованиям, предъявляемым к корпусным материалам и сварным соединениям. В дальнейшем испытания натурных отсеков подтвердили этот вывод, однако целый ряд сварных узлов в процессе приложения статической и особенно повторностатической нагрузки имели характерные разрушения (трещины I и II категории и отдельные случаи появления трещин вследствие попадания в состав конструкций некачественного металла здесь не рассматриваются) в основном в узлах притыкания жестких связей к прочному корпусу. Аналогичные разрушения имели место и при гидравлических испытаниях штатных блоков корпуса подводной лодки.

Первым из натурных отсеков испытывался СМТ-60-1, изготовленный из сплава 48-ОТЗ. Отсек представляет собой круговую цилиндрическую оболочку, подкрепленную шпангоутами таврового сечения. Оболочка закрыта по торцам плоскими прочными переборками. В нижней части отсека выполнен большой вырез, подкрепленный комингсом, в верхней части вварен входной люк. Как уже отмечалось, технология сварки ко времени изготовления этой конструкции не обладала достаточно высокой устойчивостью, поэтому вполне вероятно, что появление разрушений, связанных с конструктивным оформлением, инициировалось трещинами технологического характера. Так, на втором этапе испытания при давлении 42 кгс/см2 после выдержки 6 часов произошло разрушение плоских переборок. Образовались трещины на всю высоту стенок балок набора переборок с выходом одной из них на полотно переборки. Кроме того, было обнаружено большое число трещин на всех сварных швах малых балок набора, на переборке и на обшивке. Из-за большого объема повреждений испытания были прерваны и отсек был подвергнут ремонту. Таким образом, на этом этапе не было возможности четко выявить конструктивные недостатки в оформлении сварных узлов. В этом отношении более показательным оказался третий этап испытаний, когда проверялась прочность отсека при действии повторностатических нагрузок.

Повторные нагрузки малой частоты являются характерным видом испытаний корпусов подводных лодок, поскольку в процессе эксплуатации прочный корпус подвергается циклическим нагрузкам при сравнительно небольшом числе погружений и всплытий; при этом погружение на предельную глубину вызывает появление в прочном корпусе максимальных напряжений, а при всплытии они падают практически до 0. По такому циклу и нагружался отсек СМТ-60-1. Предельное давление составляло 42 кгс/см2, количество циклов нагружения — 250. При первом осмотре отсека, произведенном после 126-го цикла, выявлены характерные трещины по торцам всех 12 книц больших балок набора, длина которых достигала 100 мм. Следует отметить, что местных окислений, вызывающих технологические трещины, в этих узлах обнаружено не было. Последующие 100 циклов существенно не изменили картину раз рушений. Аналогичные испытания других отсеков показали, что разрушения сварных швов приварки балок набора, книц и других жестких связей к обшивке прочного корпуса носят не случайный характер. Тщательные исследования напряженного состояния в этих узлах, замеры деформаций непосредственно на сварных швах позволили вскрыть основные причины разрушений и наметить мероприятия по увеличению работоспособности сварных узлов. Такие исследования были выполнены в основном на отсеках CM-11и ДМ-12.

Оба отсека представляют собой натурные модели плоской носовой переборки с частью обшивки прочного корпуса. Они незначительно отличаются друг от друга диаметром обечайки и расположением малых балок набора. CM-11 имеет несколько меньший диаметр (-08 натурного), что обусловлено размерами большой док-камеры для испытаний внешним давлением. Конструкция ДМ 12 предназначена для динамических испытаний, но для получения дополнительных данных по циклической прочности она была подвергнута 10-кратному нагружению внутренним давлением до предельной величины 40 кгс/см2.

Результаты испытаний обеих конструкций в основном подобны, несмотря на то, что одна из них испытывалась наружным давлением (СМ-11), другая — внутренним. После первых 150 циклов нагружения конструкции CM-11 почти все сварные швы приварки балок набора, шельфов и книц труб торпедных аппаратов к обшивке прочного корпуса имели разрушения в виде трещин различной протяженности. Такой объем разрушений вызвал необходимость ремонта отсека. После вырубки и заварки трещин испытания были продолжены и отсек нагружался еще 150 раз. Одновременно с ремонтом трещин были изменены некоторые узлы притыкания больших балок набора. Так, полка вертикальной стойки в районе притыкания к обшивке в одном случае (узел II) была выполнена плавно расширяющейся, в другом (узел III) — сведена на «ус» и подкреплена кницей, поставленной в плоскости стенки, в третьем (узел IV) — осталась прямолинейной и подкреплена кницей в плоскости стенки (рис. 3). Кроме того, большинство швов обварки торцов книц и полок набора в местах притыкания к прочному корпусу имело усиленный калибр.

Осмотры отсека еще в процессе испытания показали, что большинство подкреплений оказались неэффективными. Уже на первых циклах появились трещины на узлах I и III, а к 25-му циклу вновь почти все места притыканий жестких связей к обшивке имели трещины. Тензометры, установленные непосредственно на швах, показали исключительно высокие значения деформаций, достигающие в отдельных случаях (2—2,5) ет. После 150 циклов наиболее сильные повреждения по лучили, как и следовало ожидать, узлы I и III. В узле I полка была полностью оторвана от обшивки, причем разрушение проходило в районе перехода шва к основному металлу (рис. 3,а и в). В узле III общая длина трещины достигала 100 мм. Остальные трещины имели меньшие размеры, причем во многих местах на швах обварки наблюдалась цепочка трещин различной протяженности. Обварка усиленным калибром в большинстве случаев также не привела к желаемым результатам. Ho уже на этой стадии были получены первые обнадеживающие данные. На пояске, плавно расширяющемся к месту притыкания, трещина появилась в районе сотого цикла и незначительно увеличилась к концу испытаний. Здесь следует отметить, что калибр углового шва приварки полки к обшивке был явно недостаточным. Вполне вероятно, что если бы шов был надлежащего размера, то заданное число циклов узел выдержал бы без разрушения.

Десятикратное нагружение неподкрепленного отсека ДМ-12 привело к аналогичным результатам, только общее количество трещин и их размеры были меньшими.

Итак, испытания конструкций ДМ-12 и CM-11 совершенно ясно показали, что прочность узлов в районах притыкания к обшивке прочного корпуса балок набора плоских переборок и некоторых других жестких связей, а также мест соединений этих балок между собой обеспечивается при повторностатическом нагружении не в полной мере. С учетом этих данных в работе был сделан необоснованный вывод, что основной причиной повреждений, снижающих работоспособность ответственных узлов прочного корпуса, является недостаточная циклическая прочность металла сварных швов конструкций, изготавливаемых из сплава 48-ОТ3В, в условиях, когда при первом и последующих нагружениях появляются значительные местные пластические деформации. На самом деле основной причиной появления трещин следует считать не недостаточную циклическую прочность металла шва в условиях больших пластических деформаций, а сам факт существования этих деформаций. Данные рис. 3 показывают, что значения пластических деформаций, замеренных на сварных узлах CM-11 и ДМ-12, чрезвычайно высоки, причем деформации эти имеют явно выраженный локальный характер. Об этом же свидетельствуют и следующие данные:

Условия работы металла сварного шва ухудшаются еще тем, что, кроме большой амплитуды, пластические деформации характеризуются изменением знака в процессе повторного отнулевого нагружения. Появление пластических деформаций обратного знака можно представить следующей схемой. При первом нагружении наружным давлением вследствие высокой концентрации напряжений в сварных швах приварки балок набора переборки и книц к прочному корпусу появляются значительные пластические деформации сжатия. В то же время основной металл обшивки и других корпусных конструкций находится в упругом состоянии даже в непосредственной близости от пластически деформируемых швов. При разгрузке упругие деформации обшивки исчезают, и она практически возвращается в исходное положение. Очевидно, что при этом в шве появляются напряжения другого знака, которые и вызывают пластические деформации растяжения. Появление пластических деформаций обратного знака облегчается за счет эффекта Баушингера, причем сопротивляемость пластическому деформированию сплава тем меньше, чем выше деформация прямого знака

Поскольку объем и жесткость сварных швов малы по сравнению с объемом и жесткостью обшивки, то запасенная в период нагрузки упругая энергия корпуса обеспечивает деформирование по приведенной схеме. Подтверждением этого могут служить два следующих экспериментальных факта. Во-первых, анализ показаний электротензометров, расположенных в характерных точках, выявил непрямолинейность графика разгрузки, что свидетельствует о появлении пластической деформации в этот период цикла нагружения. Во-вторых, разрушение некоторых узлов отсека СМ-11, например узла III, произошло после первого цикла нагружения. Очевидно, трещина в сварном шве не могла образоваться во время подъема давления, так как шов в этот полупериод цикла находился в сжатом состоянии, и только при разгрузке произошло разрушение.

Изложенные выше представления и факты позволяют сделать вывод о нерациональном конструктивном оформлении отдельных сварных узлов корпусных конструкций, выполненных из сплава 48-ОТЗВ. Это приводит к появлению значительных переменных пластических деформаций в сварных швах в условиях действия повторностатических нагрузок и в итоге к возникновению трещин в этих швах. Появление такого рода разрушений впервые было замечено при испытаниях натурных конструкций, изготовленных из сплава 48 ОТЗВ, поэтому, естественно, возникает вопрос, как ведут себя в подобных условиях другие корпусные материалы. К сожалению, достаточно обоснованного ответа на этот вопрос в настоящее время дать невозможно. Учитывая, что запас пластичности и упрочнение в сварных швах, изготавливаемых из таких корпусных сталей, как АК-25 и АК-29, больше, чем у сплава 48-ОТЗВ, можно предположить, что сварные узлы, изготовленные из этих сталей, имеют большую циклическую прочность. Это предположение, в частности, основывается на известной зависимости Коффина

где ep — амплитуда пластической деформации при циклическом нагружении;

N — число циклов до разрушения;

ef — остаточное удлинение после разрушения при статическом растяжении.

Из уравнения следует, что при равном размахе пластической деформации материал с более высокими пластическими свойствами (еf) выдержит большее число циклов до разрушения. Однако это предположение экспериментально не подтверждено. Единственной стальной конструкцией, испытываемой на повторную статику, был опытный отсек, изготовленный из стали АК-29. Целью испытаний была проверка подкреплений в районе круглых и овальных вырезов на обшивке прочного корпуса. Один из этапов испытаний состоял в нагружении отсека внешним давлением 200 раз при максимальном давлении 40 кгс/см2. Наибольшие напряжения у вырезов достигали 0,63 от, а у жестких связей 0,75 от. После этого этапа, естесгвенно, никаких признаков разрушения конструкции не было.

Выше говорилось в основном о конструктивной прочности сварных узлов, работающих в условиях переменных нагрузок. Однако имеется ряд сварных корпусных конструкций, получивших разрушения при однократном статическом нагружении. В этом плане наиболее характерными явились гидравлические испытания штатных блоков подводной лодки заказа 501.

Блок II этой подводной лодки представляет собой часть прочного корпуса между шпангоутами 50 и 84 с приваренным к нему всем необходимым внутренним насыщением и элементами наружного корпуса. Подробное описание конструкции и классификация всех трещин имеется в работе, поэтому здесь целесообразно остановиться на наиболее интересном узле — районе приварки межотсечной переборки шпангоута 63 к прочному корпусу.

Нижняя часть переборки шпангоута 63 и полупереборки шпангоута 61 образует цистерну быстрого погружения, которая рассчитана на полное забортное давление. Под цистерной быстрого погружения расположена кингстонная выгородка, по диаметральной плоскости которой вварен вертикальный киль с лазом. Соосно с люками кингстонной выгородки прочную обшивку рядом с полупереборкой шпангоута 61 прорезают два стакана приводов кингстона. Стаканы оказались настолько близко расположены в полупереборке, что для вварки их в обшивку потребовалось сделать вырезы в бандажном кольце полупереборки, уже приваренном к обшивке прочного корпуса, причем вырезы в бандаже были затем заварены без разделки кромок.

Именно в этом узле произошло сквозное разрушение обшивки прочного корпуса на длине 3,5 м Магистральная трещина проходит вдоль сварного соединения бандажного кольца с обшивкой прочного корпуса в нижней части у полупереборки шпангоута 61 (рис. 4). Максимальное раскрытие трещины находилось точно в диаметральной плоскости. По диаметральной плоскости оказался разорванным до лаза вертикальный киль толщиной 16 мм. От диаметральной плоскости трещина проходит вдоль сварного шва на правый и левый борта. В районе кингстонных стаканов трещина, срезав сварные швы, уходила под бандаж, а затем с правого борта вновь выходила в основной металл и шла до стрингера, пересекая шов приварки кингстонной выгородки. Результаты тщательных исследований показали, что основной металл вырезанной части обшивки и бандажа (в районе магистральной трещины) по химическому составу и механическим свойствам соответствует требованиям технических условий на поставку. Качество металла швов и сварных соединений отвечает всем предъявляемым требованиям. Te дефекты, которые были обнаружены при исследованиях (непровары, вольфрамовые включения, участки повышенной твердости), расположены вне трассы магистральной трещины.

Основной причиной разрушения и в этом случае являлось конструктивное оформление узла. Кингстонные стаканы, вваренные в непосредственной близости от переборки, вырезы в бандажном кольце, ослабившие рабочее сечение, вызвали значительную макроконцентрацию напряжений, которая совместно с резким локальным геометрическим концентратором, образованным щелью между бандажом и обшивкой, явилась определяющим фактором в характере этого разрушения. Интересно, что разрушения подобного типа наблюдались ранее при внутренних гидравлических испытаниях на подводных лодках других проектов и на малой док-камере из стали AK 25, причем на блоке II суммарная протяженность разрушения была даже меньше, чем в других случаях. Это еще раз подтверждает тот факт, что подобные разрушения объясняются не какими-либо специфическими свойствами сплава 48-ОТЗВ или дефектами сварных швов, а совокупностью параметров, объединенных понятием кон структивной прочности.

Трещины в прочном корпусе блока I этого же проекта, возникшие при гидравлических испытаниях, также являются достаточно характерными. Место разрушения и в этом случае совпало с районом притыкания жестких связей к обшивке прочного корпуса. Носовая оконечность подводной лодки выполнена в виде восьмерочной части, которая разделена распорной платформой, имеющей мощное подкрепление в виде тавровых балок, идущих от борта до борта При гидравлических испытаниях 50% узлов сопряжения балок подкрепления распорной платформы с прочным корпусом получили повреждения в виде трещин, одна из которых оказалась сквозной.

Приведенные данные показывают, что рассмотренные случаи разрушений прочных корпусных конструкций в районе жестких связей при активных нагрузках связаны не какими-либо дефектами в основном металле или металле шва, а объясняются, как правило, особенностями конструктивного оформления сварных узлов конструкции.

Обеспечение работоспособности корпусных конструкций при использовании титановых сплавов, как и любого другого нового конструкционного металла, неразрывно связано с необходимостью учета в конструктивном оформлении узлов специфических особенностей этих новых материалов.

Выводы


1. Технологические трещины появляются в результате местных окислений сварных швов, что связано главным образом с кратковременным нарушением газовой защиты при сварке. Современные методы контроля позволяют обнаружить и своевременно отремонтировать дефектные участки швов.

2. Дальнейшее улучшение сварочной аппаратуры и технологии сварки, накопление производственного опыта и повышение культуры производства ведет к сокращению количества «кислородных» трещин. Применяя для строительства корпусов подводных лодок из титановых сплавов обитаемые камеры с контролируемой атмосферой, можно полностью исключить появление этих трещин.

3. Факторами, способствующими возникновению и распространению трещин в тонколистовых конструкциях, являются: правка и гибка деталей с неудаленным газонасыщенным слоем после газовой резки, наличие пятен газонасышенного слоя от газовой резки на механически обработанных кромках, подготавливаемых под сварку, окисление основного металла со стороны приварки набора, большой объем правки конструкций путем наложения правочных валиков, вызывающих резкое возрастание поля остаточных сварочных напряжений, применение основного металла с повышенным содержанием водорода.

4. Для устранения возможности появления трещин в тонколистовых конструкциях необходимо использовать тонколистовой прокат сплава 48-ОТЗВ с содержанием водорода < 0.008%, отработать оптимальные режимы газовой резки, сократить до минимума время между операциями газовой резки и механической обработки, проводить правку и гибку деталей только после механической обработки газорезных кромок, применять оптимальную технологическую последовательность и методы сварки, обеспечивающие уменьшение деформаций тонколистовых конструкций при сварке, обеспечить высококачественную защиту тыльной стороны обшивки при приварке ребер набора и при выполнении правочных валиков.

5. Основной причиной разрушений некоторых сварных узлов корпусных конструкций в районах притыкания к обшивке прочного корпуса балок набора, переборок и других жестких связей в условиях действия статической и повторностатической нагрузок является недостаточно четкое конструктивное оформление этих узлов, приводящее к появлению больших местных пластических деформаций в сварных швах.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: