Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса 9
1.1 Поведение строительных стальных конструкций при пожаре 9
1.2 Методы расчета на огнестойкость 18
1.3 Противопожарные нормы отечественные и зарубежные 23
1.4 Огнестойкость сталей
1.4.1 Свойства сталей при повышенных температурах. Теплостойкие и жаропрочные стали 29
1.4.2 Разработка огнестойких сталей 33
1.5 Методы испытаний 37
1.5.1 Испытания образцов на растяжение при повышенных температурах 37
1.5.2 Испытания натурных конструкций 41
1.5.3 Исследование инженерных свойств проката 43
Выводы и задачи исследования 56
ГЛАВА 2 Материалы и методика экспериментальных исследований 59
2.1 Материалы исследований 59
2.2 Образцы для исследований 63
2.3 Выбор объекта исследования для испытаний натурных конструкций 71
2.4 Методика численных исследований 76
2.5 Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований
2.5.1 Испытания на одноосное растяжение 83
2.5.2 Испытания на ударный изгиб
2.5.3 Испытания на растяжение при повышенных температурах 85
2.5.4 Натурные испытания балок на огнестойкость 86
ГЛАВА 3 Экспериментальная оценка огнестойкости конструкций 88
3.1 Стандартные свойства огнестойких сталей 88
3.2 Механические свойства сталей при повышенных температурах 89
3.3 Натурные испытания балок на огнестойкость 92
3.3.1 О предельных состояниях при оценке огнестойкости 92
3.3.2 Проведение испытаний конструкций на огнестойкость 94
Выводы по главе 107
ГЛАВА 4 Численные исследования огнестойкости балок 109
Выводы по главе 117
ГЛАВА 5 Исследование свариваемости огнестойких сталей 119
5.1 Исследование склонности к холодным трещинам 119
5.2 Оценка склонности к слоистым трещинам 125
5.3 Оценка сопротивления хрупким разрушениям сварных соединений 126
5.3.1 Оценка хладостойкости проката 126
5.3.2 Испытания крупных имитационных образцов 137
Выводы по главе 146
Основные результаты и выводы 148
Список литературы
- Методы расчета на огнестойкость
- Выбор объекта исследования для испытаний натурных конструкций
- О предельных состояниях при оценке огнестойкости
- Оценка сопротивления хрупким разрушениям сварных соединений
Введение к работе
Участившиеся случаи техногенных и природных катастроф и связанных с ними пожаров на объектах промышленного и гражданского строительства привели к дополнительным повышенным требованиям по огнестойкости к строительным материалам, в частности, к сталям для строительных металлических конструкций В связи с этим в строительной отрасли возник интерес к сталям, способным сохранять достаточный запас прочности при кратковременном нагреве в условиях пожара
Специфика требований, предъявляемых к огнестойким сталям, заключается в том, что указанные материалы должны обеспечить работоспособность металлоконструкций как при обычных условиях (в том числе и при отрицательных температурах), так и в условиях кратковременного разогрева металлоконструкций при возникновении пожара
Для внедрения огнестойких сталей в промышленное и гражданское строительство необходимо проведение широких исследований по разработке и изучению свойств этих сталей по изучению поведения данных сталей з строительных конструкциях при нагреве, определению фактического увеличения огнестойкости конструкций, изготовленных с применением новых сталей Необходима разработка методов испытаний новых материалов и оценки огнестойкости.
Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения огнестойкости стальных строительных конструкций, совершенствования методов обеспечения огнестойкости, путей ее регулирования и увеличения эксплуатационной надежности стальных строительных конструкций при пожаре
Делью диссертационной работы является разработка методов оценки работоспособности огнестойкой стали в строительных конструкциях, изучение свойств этой стали, определение фактического увеличения огнестойкости конструкций, изготовленных из новых огнестойких сталей, определение областей применения огнестойких сталей
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи
- выявить особенности работы огнестойкой стали в элементах металлических конструкций в условиях статического нагружения и нагрева, установить критерии и методы оценки огнестойкости строительных конструкций из новой стали,
разработать алгоритм расчета на ПЭВМ элементов стальных строительных конструкций на огнестойкость, выполнить расчеты элементов конструкций на огнестойкость при различных условиях нагружений,
провести экспериментальные исследования огнестойкости натурных образцов из огнестойкой стали, выявить резерв огнестойкости новых сталей по сравнению с традиционными, сравнить экспериментально полученные данные с результатами численных исследований,
исследовать эксплуатационные и технологические свойства новых огнестойких сталей,
разработать рекомендации по проектированию конструкций из новых огнестойких сталей и установить области рационального применения исследуемой стали в строительных конструкциях
Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту
методика и результаты численных исследований огнестойкости элементов металлических конструкций из огнестойких, а также обыкновенных сталей,
результаты экспериментальных исследований огнестойкости элементов металлических конструкций из новых огнестойких сталей,
результаты исследований технологических и эксплуатационных свойств новых огнестойких сталей
Практическое значение работы состоит в создании расчетно-экспериментальной методики определения огнестойкости строительных конструкций, изготовленных из новой огнестойкой стали, а также в увеличении огнестойкости металлических конструкций без значительного удорожания при сокращении применения защитных обмазок, окрасок и др, что влечет за собой уменьшение стоимости и улучшение экологических условий эксплуатации строительных конструкций в целом, в определении области применения в строительных конструкциях новой огнестойкой стали
Исследования проводились автором в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ филиала ФГУП НИЦ «Строительство» - ЦНИИСК им
В А Кучеренко Впервые в стране разработаны технические условия (ТУ) на огнестойкую сталь.
Внедрение. Материалы исследования использованы при составлении требований в нормативно-технических документах в части назначения новых сталей в конструкции и сооружения Огнестойкие стали, как новые материалы, впервые включены в «Общие правила проектирования стальных конструкций» СП 53-102-2004
Апробация работы Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях
-
Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2001
-
XVI Уральская Школа металловедов-термистов «Проблемы физического металловедения перспективных материалов», Уфа, 2002
-
XVIII научно-практическая конференция «Снижение риска гибели людей при пожарах», г. Балашиха, Московской обл, ВНИШІО, 2003
Публикации. По материалам исследования опубликованы 9 научных работ Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5-й глав, основных результатов, выводов и приложения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 30 таблиц, список литературы из 117 наименований
Методы расчета на огнестойкость
Воздействие температуры пожара на ферму приводит к исчерпанию несущей способности ее элементов и узловых соединений этих элементов в результате снижения прочности металла
Разрушение конструкции может наблюдаться в сварных, болтовых или заклепочных соединениях элементов составного сечения от действия сдвигающих усилий. Снижение прочности на срез стального болта или заклепки, находящихся в условиях пожара, приводит к разрушению соединения, снижение прочности стали соединяемых элементов увеличивает деформативность. На поведение болтовых и заклепочных соединений в условиях пожара оказывает влияние значения коэффициента температурного расширения стали соединяемых элементов, а также болтов и заклепок.
При расчете фермы ее узлы принимаются как шарнирные, поэтому ферма считается статически определимой конструкцией. Потеря несущей способности хотя бы одного из элементов приводит к отказу конструкции в целом.
Исчерпание несущей способности стальных колонн, находящихся в условиях пожара, может наступить в результате потери прочности или устойчивости как всем стержнем конструкции, так и элементами соединительной решетки, а также узлов крепления этих элементов к ветвям колонны и отдельными ветвями на участках между узлами соединительной решетки в колоннах сквозных сечений; местной устойчивости стенки и свесов сжатых полок колонны составного двутаврового сечения.
Внецентренное сжатие, по сравнению с центральным, является более невыгод -16 ным видом загружения, которое отрицательно сказывается на огнестойкости конструкции. Необходимо отметить, что в ряде случаев колонна, работающая как центрально-сжатая, в условиях пожара может быть подвергнута воздействию внецен-тренно приложенной силы сжатия. Это возможно при локальном воздействии температуры пожара на конструкции покрытия или перекрытия, опирающиеся на колонны среднего ряда. Обрушение конструкций покрытия или перекрьпия с одной стороны от такой колонны приводит в дальнейшем к ее работе как внецентренно-сжатой конструкции. Колонны являются элементами плоских рам или пространственного каркаса, шарнирно или жестко соединенных с опирающимися на них конструкциями. В случае жестких соединений колонны с ригелем ее работа зависит от поведения конструкции ригеля при пожаре. Ввиду наличия в здании системы внутренних помещений очаг пожара в начальной его стадии оказывается локализованным и поэтому воздействует на ограниченное число несущих элементов конструкций. Это может привести к стеснению температурных деформаций колонны, которая в результате отсутствия свободы перемещения вдоль ее длины получает дополнительное нагружение [1,3].
Поведение в условиях пожара арок и рам зависит от статической схемы работы конструкции, а также конструкции сечения их элементов. Работа в условиях высоких температур сплошных составных сечений аналогична работе таких же сечений стальных балок и колонн, а сквозных сечений - работе ферм и сквозных колонн. В случае использования открытой затяжки, воспринимающей распор конструкции, отказ арок или рам при пожаре может наступать из-за потери несущей способности этим элементом. Разрушение арок и рам может наступить и из-за потери несущей способности опорных и конькового узлов, а потеря устойчивости элементов поясов из плоскости конструкции - из-за обрушения связей.
Отказ листовых конструкций, используемых при строительстве цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов, в 80% происходит из-за разрушения вертикальных сварных швов, воспринимающих кольцевые усилия растяжения. Элементы структурных конструкций, работающие на растяжение и сжатие, -имеют небольшие сечения и поэтому быстро нагреваются в условиях пожара. Однако эти конструкции, в силу многократной статической неопределимости, менее чувствительны к повреждениям, т.е. выход из строя одного или нескольких элементов не приводит к обрушению всей структуры.
Мембраны относятся к конструкциям, у которых при нагреве происходит уменьшение усилий. Это вызывается увеличением прогиба конструкции до 1/10-1/15 ее пролета в результате температурного расширения и температурной деформации стали, поэтому огнестойкость стальной мембраны составляет 0,75-1,0 ч. Наиболее уязвимым элементом мембранного покрытая является его опорный контур. Прогиб мембраны, образовавшийся во время нагрева, является в большей своей части необратимым [12].
Подчеркивая вышесказанное, нужно отметить, что для создания конструкций с высокой огнестойкостью следует не только повышать огнестойкость металла, но и совершенствовать конструктивные решения, огнезащитные покрытия и т.п.
На основании имеющегося опыта фактические пределы огнестойкости стальных конструкций могут быть увеличены, если будут учтены следующие мероприятия [3,10]: - Заделка конструкций на опорах для создания арочного эффекта, связанного с появлением дополнительных горизонтальных сил, повышающих прочность и уменьшающих деформативность конструкции при пожаре. - Установка конструкций в зоне наиболее низких температур при пожаре в здании, например, оставить конструкции незащищенными снаружи здания, а изнутри покрыть их огнезащитным или теплоизоляционным покрытием. - Возможность охлаждения стальных конструкций при пожаре, например водой. - Учет реальных условий пожара при расчете огнестойкости стальных конструкций. - Разработка и применение в конструкциях сталей повышенной огнестойкости. Последствия воздействия пожара на стальные строительные конструкции можно охарактеризовать следующим образом.
Металл отличается высокой теплопроводностью. Это приводит к тому, что в условиях пожара незащищенные металлические конструкции быстро прогреваются до температур, превышающих 400-500С. Под воздействием этих температур и нормативной нагрузки интенсивно развиваются температурные деформации. Это приводит к быстрому выходу из строя элементов металлических конструкций (в пределах всего 0,12-0,25 часа), потере ограждающей и теплоизолирующей способностей ограждений [1,3].
Анализ литературы показывает, что одной из важных задач в обеспечении строительства в современных условиях является разработка и освоение производства стального проката, имеющего высокие характеристики огнестойкости.
Выбор объекта исследования для испытаний натурных конструкций
Специально проведённые обширные лабораторные исследования с участием диссертанта позволили установить основные требования к химическому составу и технологические схемы производства проката из огнестойкой стали [97, 98]. Сталь должна иметь низкое содержание углерода ( 0,1%) для снижения степени упрочнения при повышенных температурах. Основу легирования стали составляет сочетание Nb-Mo: дисперсные выделения Nb (C,N) служат основой огнестойкости, молибден при нагреве сегрегирует на поверхности дисперсных частиц, препятствуя их коагуляции и повышая тем самым огнестойкость проката.
Кроме того, сталь микролегируют ванадием, выделение дисперсных частиц карбонитридов которого при 570-620С способствуют увеличению огнестойкости стали.
Также следует ограничивать содержание марганца ( 1,0%), снижающего высокотемпературную прочность проката [99]. Для обеспечения хорошей свариваемости легирование стали должно быть минимальным.
Режимы термической или термомеханической обработки должны обеспечивать формирование в ферритной матрице развитой субструктуры, способствующей сохранению прочности при нагреве, кроме того, необходимо сохранить в твёрдом растворе определённое количество ванадия (или ниобия), для его последующего выделение в виде частиц при нагреве. За рубежом обсуждаемые стали поставляются обычно после термомеханической прокатки [100]. При этом требуются большие обжатия металла в чистовых клетях стана (свыше 60-70%), что возможно при использовании станов большой мощности. На металлургических заводах России подобное оборудование отсутствует. Поэтому мы предложили проводить исследование огнестойких сталей непосредственно по - 60 -еле горячей прокатки по обычным режимам (обжатия в чистовых клетях 40%) или после термического улучшения, поскольку подобные обработки также способствуют формированию субструктуры требуемого типа в обсуждаемых сталях.
На основании результатов исследований с участием диссертанта для производства проката толщиной 8 - 50 мм были разработаны ТУ 14-1-5399-2000 "Прокат листовой с повышенной огнестойкостью для стальных строительных конструкций". На изобретение получен патент [101].
Ударная вязкость огнестойких сталей в соответствии сТУ 14-1-5399-20 Марка стали Категория Толщина листа, мм Ударная вязкость, Дж/см2 при температуре, С
Отметим некоторые дополнительные характерные особенности предложенного химического состава. Стали, выплавленные из природно-легированных хромом и никелем руд, применяемых на ООО "Уральская сталь", содержат повышенное количество Сг и Ni, восполняюпще с точки зрения рабочих свойств понижение содержание марганца, при этом себестоимость не повышается. Сталь обладает высокой чистотой по вредным примесям (S 0,010%; Р 0,020 %), поскольку на комбинате освоены процессы ковшевой металлургии; это обстоятельство также положительно сказывается на рабочих свойствах проката. Содержание в металле N до 0,012% связано с выплавкой на комбинате сталей в электропечах. Достаточное содержание сильных карбонит-ридообразующих элементов в стали (табл. 7) компенсирует отрицательное влияние азота и способствует выделению дисперсной фазы при нагреве, поскольку огнестойкость сталей обеспечивается фазой дисперсионных тугоплавких карбонидов ниобия Nb (С, N). При коагуляции этих частиц в процессе нагревания прочность стали понижается. В [99] указывается два механизма препятствия появлению в структуре крупных частиц, т.е. снижению сопротивления температурному воздействию: сегрегация облаков атомов молибдена на поверхности частиц Nb (С, N) - реализуется в стали 06МБФ; выделение при нагреве на 570...650С дисперсных частиц карбонитридов ванадия V (С, N) и, частично, ниобия - этот механизм может реализовываться в обеих сталях. Согласно международной практики величина прочностных характеристик в огнестойких сталях при 600С должна составлять от 1/2 до 2/3 от величины, определённых при комнатной температуре.
Согласно ТУ 14-1-5399-2000 для стали С255 это отношение близко к 0,5, для стали С355 - ближе к 0,6.
Как отмечалось выше, обсуждаемые стали должны быть хладостойкими и хорошо свариваться и иметь высокие гарантии по ударной вязкости, поэтому к данным сталям предъявляются высокие требования: на образцах с острым надрезом при минус 40С и впервые в отечественной практике при минус 60С (KCV40, KCV60), на образцах с U- образным надрезом - при минус 70С (КС1Г ). Промышленные партии огнестойких сталей впервые в отечественной практике были изготовлены на ООО "Уральская сталь" с нашим участием [97]. Выплавлены четыре плавки следующего химического состава (таблица 10).
Особенность химического состава плавок: С 0,10%; низкое содержание вредных примесей: S 0,005%; Р 0,010 %, что считается оптимальным содержанием для обсуждаемых сталей. Наконец следует отметить наличие в химическом составе Cr, Ni и Си ( 0,10%) как следствие применения при выплавке природно-легированных чугунов.
Технология выплавки в 100 тонной дуговой печи с использованием природно-легированного чугуна была характерной для комбината.
При выборе конкретных видов проката и марок стали для решения поставленных в работе задач, руководствовались целью сравнить новые стали со стандартными, используемыми в настоящее время. Поэтому для изучения огне - 63 -стойкости проката в качестве материала исследования выбраны стали, отличающиеся друг от друга по микростроению и принадлежащие к различным классам прочности: горячекатанный прокат толщиной 8-20 мм обычной прочности из стали марки ВСЗсп (С255); прокат толщиной 8-20 мм из стали повышенной прочности 09Г2С (С345); горячекатаный прокат из новой стали толщиной 8-20 мм марки 06БФ (С255) и термически упрочненный прокат толщиной 8-40 мм из стали 06МБФ (С345).
Таким образом, наравне с новыми огнестойкими сталями 06БФ и 06МБФ для сравнения исследовались наиболее распространенные в строительстве стали: малоуглеродистая сталь ВСтЗсп и низколегированная сталь 09Г2С.
Как отмечалось выше, огнестойкие стали должны соответствовать общим требованиям, предъявляемым к прокату металлических конструкций, поэтому нам необходимо определить стандартные механические характеристики сталей исследуемых в работе. Нас интересуют следующие характеристики: прочностные - предел текучести стт, временное сопротивление разрыву ов и пластические - относительное удлинение 5 и относительное сужение \Л
Эти характеристики будем определять по результатам испытаний на одноосное растяжение гладких цилиндрических образцов по ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».
О предельных состояниях при оценке огнестойкости
Зависимость прогиба от времени мы условно разделили на три области: 1) относительно быстрое нарастание прогиба на первом этапе огневого воздействия, связанное с заметным падением модуля упругости и прочности в первые 2-4 мин. нагрева; 2) линейное нарастание прогиба до 4см; 3) быстрое нарастание прогиба до 14 см, где балка полностью теряет несущую способность из-за развития больших деформаций и потери общей устойчивости конструкции.
Согласно ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость» определение предельного состояния конструкций проводится по потере несущей способности в зависимости от развития деформаций. Для изгибаемых конструкций предельное состояние оценивается по предельному прогибу: величина прогиба должна быть не более L/20, где L - пролет балки, в нашем случае L/20 = 14,7 см. Эта величина достаточно точно указывает момент окончания эксперимента Rf из-за полной потери несущей способности конструкций. Кроме того, предельное состояние по ГОСТ 30247.1 можно оценивать по скорости нарастания деформаций в соответствии с выражением: L /(9000-h) см/мин, где h - высота балки. Момент наступления этого предельного состояния отмечен жирной точкой на графиках прогибов. Практически это граница перехода от стадии 2) линейного нарастания прогибов в балке к стадии 3) быстрого нарастания прогиба. Во всех случаях величина прогиба здесь около 4 см.
Таким образом, примем, что Rf- время достижения предельного состояния по предельному прогибу, Ry - время достижения предельного состояния по скорости нарастания деформаций. Rv логично отнести к огнестойкости по предельному состоянию второй группы, при котором возникают прогибы и потеря устойчивости формы, приводящие к затруднению дальнейшей нормальной экс -105 плуатации. Rf следует отнести к огнестойкости, связанной с аварийным предельным состоянием. Здесь имеет место полная непригодность к эксплуатации из-за развития больших пластических деформаций и потери устойчивости формы, однако даже небольшая продолжительность недопущения полного разрушения балок или ферм (сутки и даже часы) позволит существенно сократить материальные потери и даже сохранить человеческие жизни. Это предельное состояние может иметь очень важное значение.
Рассмотрим обычные стали С255 (ВСтЗсп) и С345 (09Г2С). Как и предполагалось, с повышением нагрузки (сравнить п. 1 и 2 табл. 23) общий предел огнестойкости Rf конструкций понижается (на 4 мин), при этом понижается и Rv. На это же время (4 мин) понижается и время пересечения кривых a t,C) и a„(t,C) с линией напряжения в балке, т.е. время, при котором величины обсуждаемых характеристик становятся ниже приложенных напряжений.
Установлено, что при равном напряжении (0,7 Ry) в сталях обычной огнестойкости пределы огнестойкости не зависят от начальной прочности проката и степени его легированности (сравните варианты 2 и 3 в табл. 23 - СтЗсп5 и 09Г2С). Во всех случаях Rv совпадает с пересечением с диаграммой напряжений величин овнп и aTBn, a Rf - с понижением до уровня заданных напряжений ав .
В качестве сталей повышенной огнестойкости со свойствами С255 исследовали два варианта стали 06БФ (см. табл. 23) - горячекатаную и термически упрочненную. Видно, что при напряжении 0,7Ry конструкции из горячекатаной огнестойкой стали имеют более высокие пределы огнестойкости: примерно на 4 мин (Rf = 27,5 мин) по сравнению со сталями обычной огнестойкости
При повышении напряжения практически до уровня расчетного сопротивления (0,98 Ry) предел огнестойкости конструкций из горячекатаной огнестойкой стали ожидаемо понижается (вариант 5 табл. 23), однако в случае оптимального варианта - термически улучшенной стали, этого не происходит (вариант 8 табл. 23): Rf=29 мин.
В случае термически улучшенной стали 06БФ (вариант 7 табл. 23) величина Rf связана с достижением уровня заданных напряжений исследуемыми характеристиками верхнего пояса (отвп, а„вп), Rv - с аналогичными характеристиками для нижнего пояса.
Наконец, балки из горячекатаной стали 06МБФ (вариант 9 табл. 23) стоят существенно дольше (до 40 мин), чем в случае сталей обычной огнестойкости при соответствующих напряжениях (сравнить варианты 1 и 9 табл. 23). Rf выше на 12 мин, Rv - на 10 мин. При применении термически улучшенной стали 06МБФ при приведенных толщинах элементов более 6,0 мм Rf должна превысить 45 мин. Использование минимального слоя огнезащитного покрытия увеличивает Rf на 40 мин (сравните варианты 5 и 6 табл. 23). Такое решение проблемы огнестойкости также экономически эффективно.
Выводы по главе Установлено, что предложенная схема работы сталей при огневом воздействии (см. рис. 18) в целом подтверждается проведенным экспериментом. Таким образом, при рассмотрении конструкций в условиях огневого воздействия предлагается различать второе предельное состояние, при котором предел текучести конструкции снижается до уровня напряжений в конструкции, при этом конструкция, во всяком случае после окончания пожара, будет ремонтно-пригодной. Наиболее важное, по нашему мнению, предельное состояние, связанное с падением временного сопротивления стали ав до уровня напряжений в конструкции, при этом будет наблюдаться чрезмерное развитие пластических деформаций, а возможно, и потеря устойчивости формы.
Для балок по данным эксперимента Ry (огнестойкость по второму предельному состоянию) связана со временем падения временного сопротивления нижней полки до уровня фактических напряжений (oV1); Rf (огнестойкость по первому предельному состоянию)- со временем падения временного сопротивления верхней полки до уровня фактических напряжений (оввп); балка выходит из строя из-за чрезмерного развития пластических деформаций. Разница Rf-Ry не зависит от стали и нагрузки и составляет по результатам испытаний 2...7 мин. Исчерпание несущей способности при переходе от стандартных к огнестойким сталям при нормативных нагрузках происходит на 100 С выше, что значительно увеличивает предел огнестойкости конструкции.
Проведенные испытания позволяют сделать вывод, что высокая огнестойкость в исследованных конструкциях обеспечивается при применении сталей, у которых при 600С выполняются требования по нормативным прочностным характеристикам, в первую очередь, это относится к сталям 06МБФ.
В термически улучшенных сталях 06БФ и 06МБФ эффективнее замедляются процессы разупрочнения, чем в горячекатаных, поэтому их применение в конструкциях более эффективно и целесообразно.
Оценка сопротивления хрупким разрушениям сварных соединений
Поэтому допустимая минимальная температура эксплуатации должна находиться в соответствии с температурой нулевой пластичности Т„„, а оценка последней, по нашему мнению, должна быть составной частью системы инженерного контроля сталей для уникальных конструкций, в том числе эксплуатируемых при достаточно низких температурах и т.п.
Принятое нами испытание образцов с наплавленным швом, а также без наплавки позволяет оценить влияние сварки на склонность проката к хрупкому разрушению. В образцах с наплавкой вершина острого надреза по оси образца располагается непосредственно в металле шва, а надрез пересекает все характерные участки сварного соединения: металл шва, зону термического влияния сварки, а также основной металл. При испытаниях образцов с наплавкой на металл действуют следующие сильные факторы охрупчивания, подробно рассмотренные в [72]: острый надрез, отрицательная климатическая температура, неблагоприятное воздействие на структуру теплового цикла сварки, а также масштабный фактор, проявляющийся в действии натурных больших толщин и остаточных сварочных напряжений. Как отмечалось в [72], наличие четырех основных факторов охрупчивания вполне достаточно, чтобы хрупкое разрушение произошло во всяком случае при температурах ниже Тнп. Полученные нами данные показывают, как сильно действует сварка как охрупчивающий фактор (см. рис. 42).
Полученные нами значения Тнп = -70С ниже на 20С, чем у лучших сортов стандартных строительных сталей [72].
Резко понижает Тт высокая чистота по вредным примесям и, соответственно, неметаллическим включениям, в первую очередь сульфидам, имеющая место в обсуждаемых нами сталях, поскольку при Тнп зарождение трещины идет по механизму порообразования [116], а у рассматриваемых чистых сталей количество порообразующих частиц резко сокращается.
Очевидно, что в современных крупных уникальных сооружениях, изготавливаемых из проката больших толщин, применение огнестойких сталей с высо -141 кой чистотой по вредным примесям (S 0,005%; Р 0,010%) увеличивает надежность сооружения при изготовлении и эксплуатации, также очевидно, что Тн„, определенная с помощью деформационных характеристик, удачно описывает повышение сопротивления хрупким разрушениям сталей высокой чистоты.
Обращает на себя внимание близость температур Тнп, определенной по рассматриваемой методике на крупных образцах, и і/ - критическая температура, определяемая при испытаниях на ударный изгиб образцов с V-образным надрезом по деформационному критерию \/v = 4%, эти температуры также соответствуют критическим температурам по критерию величины ударной вязкости образцов с острым надрезом - Тцк, где К- критическая величина ударной вязкости (табл. 30).
Известно, что характерные температуры Тт для сталей обычной прочности, например, СтЗсп - Т„п= 0С, для проката повышенной прочности -Тнп= -20С, для сталей высокой прочности с от = 400...500 Н/мм2 Т„п= -40С [115], для огнестойких сталей высокой чистоты по вредным примесям выполняется требование T„n= -70С.
Реально проверенная многолетней практикой допускаемая минимальная температура эксплуатации t, на 30.. .40С ниже, чем указанные ниже температуры нулевой пластичности: согласно действующим нормам для малоуглеродистых сталей t, = -40С, для низколегированных сталей повышенной прочности t, = -50С, высокой прочности - вплоть до -70С. Для сталей применяемых в конструкциях северного исполнения, достаточно ТНП=-40С, в нашем случае Тшг-70вС.
Разница в температурах между Тнп и t,, равная 30-40С, объясняется следующим образом. В методике оценки Тнп заложено одновременное действие четырех сильных факторов охрупчивания, позволяющее фиксировать Тнп в интервале климатических температур, выше полученных значений Тщ, хрупкое разрушение конструкций маловероятно даже при одновременном воздействии экстремальных условий эксплуатации и самых грубых ошибок при проектировании и изготовлении конструкций.
В реальных же конструкциях, тем более проектируемых и изготавливаемых с применением специального конструктивно-технологического комплекса мероприятий [117], например, предусмотренных СП 53-102-2004, подобное сочетание сильных факторов не реализуется: максимальное число неблагоприятных сильных факторов равно трем, чем и объясняется разность в 30..,40С между принятой нормативной t, и полученной экспериментально Тнп.
Поэтому хрупкое разрушение конструкций из термически улучшенной огнестойкой стали 06МБФ практически исключено, на этом основании подобные стали следует применять в уникальных конструкциях, имеющих большое социальное значение (крупные конструкции стадионов, общественных зданий и т.п.).
Для оценки сопротивления нового проката распространению трещины произвели испытания по модернизированной пробе Ван дер Вина.
Сопротивление распространению трещины традиционно оценивают по содержанию волокна в изломе (рис. 43). Этот метод для нашего случая оказался недостаточно точным, поскольку оценка содержания волокна в изломе вполне корректна лишь у сталей с феррито-перлитной структурой обычной и повышенной прочности (СтЗ, 09Г2С и т.п.).
Нами установлено, что наиболее приемлемые для нашего случая критерии связаны с остановкой трещины нейтральной осью изгибаемого образца (Т„). Поэтому за критическую приняли минимальную температуру испытаний, при которой нестабильная трещина не переходит нейтральную ось при изгибе образца [94]. Сразу отметим, что в образцах с наплавкой величина разрушающего усилия, работы зарождения и распространения трещины существенно ниже, чем при испытаниях проката (рис. 44).
