Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие транспортного, промышленного и гражданского строительства неразрывно связано с обеспечением качества применяемых технологических операций при одновременном снижении ресурсоемкости возводимых сооружений. Сварка является одним из основных технологических процессов строительной индустрии, в результате чего в ней на сварные элементы расходуется более четверти сортового и листового проката, выпускаемого отечественной промышленностью. При этом ежегодно арматурно-сварочньш производством перерабатывается более 12 млн. т. стали.
В указанном объеме только производственными предприятиями транспортного строительства для сооружений из сборного железобетона изготавливается не менее 30 тыс. т. тавровых сварных закладных изделий, в большинстве с арматурными стержнями, из которых около 90% - с использованием ручной дуговой сварки штучными электродами. В то же время, более для этих изделий перспективна механизированная сварка под слоем флюса, применение которой, по сравнению с ручной сваркой, повышает производительность труда в 3+4 раза и снижает металлоемкость изделий в среднем до 20%. На монтаже выполнение соединений из арматуры классов A-I. А-П, Ас-П и А-Ш по ГОСТ 5781-82* и закладных деталей из сталей по ГОСТ 380-88 осуществляется электродуговой, в том числе, ванной, как ручной штучными электродами, так и механизированной сваркой сплошной и порошковой сварочными проволоками в среде углекислого газа и под флюсом.
Постоянное совершенствование сварочной техники и технологии все же полностью не исключает образования в сварных соединениях различных дефектов, которые в ряде случаев могут служить причиной возникновения аварийных ситуаций и даже катастрофических разрушений. Уровень брака может достигать 25-30%, вследствие несовершенства и неисправности оборудования, несоблюдения требуемых режимов, плохой подготовки сварочных ма-
териалов и т.д. Поэтому об эффективности использования сварки в строительстве в силу длительной эксплуатации и особенной ответственности сооружений можно говорить только при условии её сопровождения не менее эффективным контролем качества выполненных с ее помощью соединений. С учетом этого действующими нормативными документами [1-6 и др.] для строительных конструкций жестко регламентируются требования к сварным швам, их конструкции, качеству и предельно допустимым дефектам. Установленные этими документами требования к качеству сварных соединений, как правило, являются жестче требований, предъявляемых к аналогичным соединениям нормативными документами других отраслей промышленности.
Применяемые методы контроля качества сварки в строительстве должны гарантировать обнаружение в сварных соединениях различных недопустимых дефектов. Одним из общепризнанных способов такого контроля является ультразвуковая дефектоскопия, развитие и внедрение которой в нашей стране начато с 50-х годов на основе разработок ряда организаций: НИИмо-стов ЛИИЖТа, ЦНИИТмаша, МВТУ им. Н. Э. Баумана, ИЭС им. Е.О. Патона, ЦНИИСа и др. Главные преимущества ультразвукового контроля: неразру-шаемость соединений, высокая чувствительность к наиболее опасным тре-щиноподобным дефектам, высокая производительность, низкая себестоимость самого контроля и вспомогательных сопутствующих операций, безопасность и оперативность. Отечественная строительная индустрия, одной из первых начавшая применять ультразвуковую дефектоскопию для окончательной оценки качества сварных соединений металлоконструкций ответственного назначения (мостов, газгольдеров, резервуаров, трубопроводов и т.д.), в настоящее время по уровню технического оснащения, организации и объему применения этого неразрушающего способа контроля занимает ведущее место среди подобных отраслей других стран мира. Значительно позже, чем для металлоконструкций, ультразвуковой контроль качества стал
применяться для арматурно-сварочных работ при изготовлении и монтаже сборных и монолитных железобетонных конструкций.
Долгое время возможность применения ультразвукового контроля для сварных соединений арматуры считалась сомнительной из-за периодичности её профиля. Вследствие этого основным методом контроля таких сварных соединений являлись выборочные разрушающие механические испытания, главными недостатками которых, являются: низкая достоверность из-за получения только косвенной информации о качестве по образцам-свидетелям; неэкономичность проведения испытаний и неоперативность получения заключений. Применение радиографического контроля так же оказалось неэффективно в силу неудовлетворительной выявляемое недопустимых дефектов, высокой стоимости контроля и радиационной опасности.
В то же время ранее показанный уровень брака способствует преждевременным разрушениям сооружений даже при статических, а тем более при многократно повторных и сейсмических нагрузках. Данное обстоятельство обусловило актуальность проведения многоплановых технических разработок и исследований, целью которых являлось снижение брака и повышение надежности сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры железобетонных сооружений за счет проектного и технологического обеспечения их качества в заводских и монтажных условиях.
Методы проведенных разработок и исследований базируется на обобщении и систематизации известных достижений отечественных и зарубежных специалистов в области заводской и монтажной сварки арматуры, методов контроля качества сварных соединений, анализе этих результатов доведение до практического внедрения и выявлении на его основе нерешенных задач в вопросах обеспечения качества указанных соединений. Для этого привлекался комплекс аналитических и экспериментальных методов исследований, включающих аспекты теории: сварочных процессов и электротехники, обшей и прикладной акустики, физического моделирования механики разрушений, вероятности, статистики и надежности; испытания на статическое, в том чис-
ле при отрицательных температурах, малоцикловое и многократно-повторные нагружения.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые дано комплексное решение проблемы организации обеспечения качества сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры железобетонных сооружений транспортного строительства, охватывающее вопросы совершенствования предназначенного для этого сварочного оборудования, технологии сварки, выявления неразрушающим ультразвуковым методом контроля образующихся дефектов сварки, оценки, их влияния на несущую способность и надежность соединений и учета этого влияния при проектировании. К элементам научной новизны относятся следующие результаты:
с учетом наибольшей экономичности изготовления закладных изделий с применением автоматизированной сварки под флюсом на основе фундаментальных положений теории сварочных процессов и результатов аналитических и экспериментальных исследований определены новые закономерности приварки арматурных стержней к плоским элементам с точки зрения взаимосвязи: электрическая дуга - источник питания - параметры режима, что позволило изменить ранее применявшуюся принципиальную схему указанного процесса и установить основные пути аппаратурно-технологического совершенствования механизированной сварки закладных изделий с перпендикулярным и наклонным расположением стержней;
исследованиями энергопитания дугового разряда доказана возможность использования интегральной оценки тепловложения при назначении режимов сварки закладных изделий под флюсом с источниками переменного тока, позволившей при модернизированном аппаратурно-технологическом обеспечении процесса сварки снизить металлоемкость закладных изделий и увеличить производительность их изготовления;
исследованиями свариваемости широко применяемых классов арматуры определены наиболее целесообразные, с точки зрения эксплуатационной надежности монтажных сварных соединений, марки сварочных проволок и
штучных электродов, обеспечивающие высокие показатели качества при широко применяемых в транспортном строительстве: полуавтоматической сварке в медной форме, сварке под флюсом и ванно-шовной сварке;
экспериментально обоснованы допустимые площади дефектов сварных закладных изделий и монтажных сварных соединений арматуры железобетонных конструкций для статических нагрузок при положительных и отрицательных температурах, малоцикловьгх и многократно-повторных нагруже-ниях. Установлено, что эти площади могут быть нормированы с помощью определенных коэффициентов к допустимой площади аналогичных дефектов для статического нагружения при положительной температуре;
исследованиями с помощью лучевой акустики и на экспериментальных моделях доказана эффективность ультразвукового контроля качества закладных изделий и монтажных сварных стыков арматуры. Разработанные для последних методы контроля позволяют пренебречь влиянием неровностей периодического профиля цилиндрического тела, соизмеримых с длиной ультразвуковой волны. Выявленные при этом закономерности обеспечивают возможность реализации ультразвукового контроля качества в транспортном строительстве для железобетонных сооружений;
экспериментальным моделированием установлены принципы функционирования устройств фиксации ультразвуковых пьезопреобразователей для сварных закладных изделий и разных типов монтажных стыков арматуры, позволяющие компенсировать влияние их конструкции и технологам выполнения на чувствительность ультразвукового контроля к обнаружению дефектов сварки;
на основе анализа методами математической статистики и теории вероятности создана технологическая система и методология оценки качества тавровых сварных закладных изделий и монтажных соединений арматуры, позволяющая по амплитуде ультразвукового сигнала дефектоскопа дифференцировать их по степени пригодности к эксплуатации и надежности в железобетонных конструкциях.
разработанные средства и методы сварки и ультразвукового контроля сварных соединений составляют функциональную систему управления качеством сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры.
Практическая значимость работы заключается в реализации ряда ее положений и результатов в отраслевых нормативно-рекомендательных документах по сварке и ультразвуковому контроля закладных изделий, в разработке, организации изготовления и внедрении соответствующих установок и приспособлений, обучению в работе на них операторов на предприятиях транспортного строительства. В результате более чем десятилетних исследований и разработок к настоящему времени в отрасли при изготовлении сварных закладных изделий и выполнении монтажных соединений существенно (в 2-3 раза) снижен технологический брак и достигнута значительная экономия металла.
Апробация работы проводилась на отраслевых научно-технических конференциях, Советах, совещаниях, семинарах и выставках.
Публикации Основные результаты отражены в десяти публикациях, в том числе в одной монографии.
Автор выражает огромную благодарность коллективу и руководству ОАО ЦНИИС, а также кандидату технических наук Шаферману И.М., за участие и помощь в проведении исследований, внедрении их результатов и подготовке настоящей работы.
