Сталь для крайнего севера
Обновлено: 04.05.2024
Ключевые слова: ударная вязкость, металлоконструкция, Крайний Север.
Sannikov I.I., Kovrova D.F., Ustinov E.P.
1 engineer, 2 head of the department, 3 teacher, North-Eastern Federal University in Yakutsk, Institute of Technology,College of Technologies, Chair of technological disciplines
RESEARCH OF IMPACT STRENGTH CONSTRUCTIONAL STEEL AND THE WELDED JOINTS WHICH ARE OPERATED IN THE CONDITIONS OF FAR NORTH
Abstract
Results of tests for impact resistance constructional staly used in a metalwork in the conditions of Far North are given in this article.
Keywords: impact resistance, metalwork, Far North.
Введение
Проблема оценки надежности и ресурса металлоконструкций, работающих в условиях низких климатических температур, на сегодняшний момент является наиболее актуальной задачей обеспечения техногенной безопасности сложных технических систем. Для металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, одним из основных требований является обеспечение хладостойкости материала. Обеспечение достаточной хладостойкости означает предотвращение хрупких разрушений элементов конструкций при нагрузках, существенно ниже расчетных.
Для сварных конструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, одной из определяющих характеристик материала является ударная вязкость. Так как ударная вязкость является одним из параметров, характеризующих хладноломкость металлов и сплавов, его способность сопротивлению хрупкому разрушению. Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.
В данной статье приведены результаты испытаний на ударную вязкость конструкционных сталей используемых в металлоконструкциях.
Методика проведения исследований
Для изготовления образцов на ударные испытания, были подготовлены сварные пробы из новой листовой стали 09Г2С толщиной 6 мм. Сварка листовых проб производилась ручным дуговым способом с помощью сварочного источника ФЭБ-315 «МАГМА». Для сварки использовался сварочный электрод марки LB-52U Ø3,2 мм для корневого шва, для облицовочного шва электрод Ø4 мм. Результат спектрального анализа химического состава приведен в таблице 1.
Вторая партия образцов были изготовлены из трубы Ø720 толщиной стенки 8 мм из стали 13Г1С-У. Кольцевые сварные швы проб получены ручной дуговой сваркой покрытыми электродами: для корневого шва – электрод марки LB-52U ø2,6 мм и для заполняющего и облицовочного шва электрод OK74 ø3,2 мм. Результат спектрального анализа химического состава приведен в таблице 1.
Третья группа образцов была изготовлена из рамы карьерного автосамосвала БелАЗ-756306. Химический состав в % соотношении представлен в таблице 3.
Таблица 1 - Химический анализ состава сталей
Рис. 1 - Схема вырезки образцов основного металла, металла шва и ЗТВ.
Рис. 2 - Инструментированный маятниковый копер «Amsler RKP450»
Результаты испытаний
По результатам испытаний на ударный изгиб был составлен график зависимости ударной вязкости от температуры (Рис. 3, 4, 6).
Рис. 3 - График зависимости ударной вязкости от температуры основного металла, сварного шва и зоны термического влияния стали 09Г2С с V-образным надрезом.
Рис.4 - График зависимости ударной вязкости от температуры основного металла, сварного шва и зоны термического влияния стали 13Г1С-У с V-образным надрезом.
Рис. 5 - График зависимости ударной вязкости от температуры основного металла, сварного шва и зоны термического влияния стали 15ХСНД с U-образным надрезом.
Выбор марки стали. П.2.1.СНиП II-23-81*.
Друзья, помогите разобраться! Вопрос следующий: допускается ли применение марок сталей С255 и С285 в районе с расчетной температурой -41гр. (климат. районы I2, II2 и II3 (–40>t >–50)) для конструкций категории 2 с учетом нижеоговоренного пункта СНиП?
П.2.1* СНиП II-23-81*:" . Стали для стальных конструкций зданий и сооружений следует принимать по табл. 50*.
Стали для конструкций, возводимых в климатических районах I1, I2, II2 и II3, но эксплуатируемых в отапливаемых помещениях, следует принимать как для климатического района II4 согласно табл. 50*, за исключением стали С245 и С275 для конструкции группы 2."
Получается, что для отапливаемых зданий можно? Но почему согласно таблице 50* для района II4 (2 категория конструкций) стали С255 и С285 можно применять, а С245 и С275 нельзя? В чем логика этого исключения?Почему во многих КМ для конструкций (в районах с температурой -41 и более) принимаются марки сталей 345, когда можно взять 255 и 285?
Как понимаю логика в том, что в случае отапливамого помещения температура самих несущих конструкций будет и в зимнее время близкой к температуре воздуха, внутри помещений. А в случае неотапливаемых зданий - при низкой температуре может произойти охрупчивание стали.
Но почему тогда 255 и 285 можно, а 245 и 275 нельзя?
Почему во многих КМ'ах для районов с температурой 41гр. и более марку стали делают С345-3?
Не сразу понял суть вопроса темы. По таблице1 ГОСТ 27772-88 видно, что эти марки разнесены по разным группам в графе "наименование сталей", 245 и 275 - в одной, 255 и 285 - в другой. Разный хим состав=> разные физические св-ва. 245 и 275 даже для районов II4 и II5 применяются с оговоркой.
Согласен. При этом видно по табл.3 и 4 ГОСТ 27772-88 что у 255 и 285 сталей регламентируется ударная вязкость при -20гр. У 245 и 275 её нет.
Тогда остается последний вопрос: почему во многих сериях и КМ'ах для конструкций (в районах с температурой -41 и более) принимаются марки сталей 345, если можно взять 255 и 285?
275 и 285 не очень ходовые марки, могут возникнуть проблемы с их закупкой. а применить в одних случаях выгодней 245, в других 345, тогда вес конструкций меньше
Посмотрел в СП 53-102-2004-Общие правила проектирования стальных конструкций.Приложение В. МОЖНО И С245 использовать. В новом снипе за 2010 год также.
Та же ударная вязкость регламентируется при температурах еще ниже (-40, -70), плюс прочностные качества.
Главное, что при выборе С345 (по сравнению с С255 и С285) объект получается дороже (это факт)!Это же неправильно.
Тем более, что "Посмотрел в СП 53-102-2004-Общие правила проектирования стальных конструкций.Приложение В. МОЖНО И С245 использовать. В новом снипе за 2010 год также."
Получается, что можно принимать обычную С245!И это подкреплено нормами с 2004 года.
Вопрос остается:
ПОЧЕМУ МНОГИЕ НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ ЗАКЛАДЫВАЮТ С345.
Не всегда выходит дороже, зачастую экономия металла в тоннах превосходит экономию на стоимости стали. Это написано в любом старом учебнике, где переход к высокопрочным сталям рассматривался как один из главных шагов на пути к экономии металла. И потом многие профиля изначально не найти из С245 (не выпускаются такие). И раз уж речь о СП - в отличие от жб, сп по металлам носит рекомендательный характер, а многие доверяют именно "обязательному" СНиП.
И еще обратите внимание на п. 5.1.3. СП и убедитесь, что верно выбираете сталь.
Да можно все что угодно использовать, потому как до вступления ТРов нормы эти по существу носят рекоммендательный характер, а решение и ответственность на проетировщике(в целом)! Да, конструкция дороже.. как и бетон с добавлением противоморозных добавок дороже аналогичного, но без них, ну от этого никуда не деться!
C245 и С275 - фактически полуспокойная сталь Ст3пс5, прошедшая приемку по ГОСТ 27772 с его вероятностными методами. Полуспокойные стали имеют повышенную склонность к хрупкому разрушению при низких температурах.
С255 и С285 - это спокойная сталь, аналогичная по химсоставу Ст3сп.
Т.е. это надо понимать так: если плавят сталь спокойную, то она не может быть марки С245 или С275, а полуспокойная - не может быть марки С255 или С285.
Никто никого не заставляет применять марки стали в зависимости только от климатических районов. Люди, может, взяли посчитали - из С345, за счет повышения прочности, металла пойдет настолько меньше, что дешевле просто выходит. Ну или то на то.
Неотапливаемое здание довольно сложно сделать отапливаемым. Отапливаемое здание очень просто сделать неотапливаемым. А стоять ему на холоде - сколько лет? Какое в нем когда-нибудь сделают производство, с каким режимом работы кранов? Нормативные сроки, сегодняшние пожелания заказчиков - то всё фигня, НИКТО не знает, сколько оно будет в эксплуатации. И будет ли отопление (гостиница-понятно, но какой-нить механосборочный цех? Я вас умоляю. )
Насчет того, что нормы имеют рекомендательный характер - это разговоры врага и саботажника. Все ж таки советские нормы делали не ради сиюминутной наживы, надо ж подходить с технической точки зрения - завалится на голову или нет, а не просто проекты рисовать, и принимать решения исходя из ошибок в запятых в нормах.
Хотя. В 1940х делали, например, сварные(!) подкрановые балки(!) в мартеновских(!) цехах из стали Ст3кп, и даже Ст0, что сейчас уму не постижимо. Но работало ж! Когда трескалось, когда нет.
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
К сварным сооружениям, использующимся при низких температурах в течение длительного времени, относятся холодильные установки, дорожно-строительная техника, мостовые конструкции, фермы, транспортные средства, магистральные трубопроводы и т. д., а также конструкции, эксплуатирующиеся в условиях Крайнего Севера, под водой, в космосе. Основными критериями возможности использования конструкционных материалов и сварных соединений из них для низких температур являются:
• необходимый уровень прочности при нормальной температуре (20 °С), обеспечивающий надежность и оптимальную металлоемкость конструкции;
• низкая чувствительность к хрупкому разрушению, определяемая запасом пластичности и вязкости при рабочих (низких) температурах;
• технологичность при металлургическом и машиностроительном переделе (свариваемость, штам - пуемость и т. п.).
В практике создания сварных узлов принято, что при Т > -100 “С используются низкоуглеродистые и низколегированные стали ферритно-перлитного, перлитного, а иногда и бейнитного классов, а при более низких (криогенных) температурах — аустенитные, аустенитно-мар - тенситные стали или цветные сплавы (алюминий, медь). В данной главе рассматриваются стали первой группы.
К этой группе следует отнести низкоуглеродистые стали СтЗ сп, Ст20 и низколегированные стали 09Г2Д, ЮГ2, 17ГС, 14ХГС, применяемые для Тэксп до —40. .-50 ЬС, и стали 09Г2С. 10ХСНД, І0Г2С1Д, 14Г2САФ, 16Г2САФ, применяемые для Тэксп до —60 СС.
Эти материалы отличаются заметным изменением механических свойств при снижении температуры: рост значений сгв, от, о_,, снижение значений 6, KCU, повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений.
Определяющей характеристикой этих сталей является их способность сопротивляться хрупким разрушениям при понижении температуры. Поэтому вопросы хладо - cmouKocmu принято рассматривать в связи с переходом материала из вязкого в хрупкое состояние в зависимости от технологических воздействий на него и условий жеплуатации конструкции.
Экспериментально при таком переходе наблюдается изменение внешнего вида поверхности излома при динамических (ударных) испытаниях образцов: доля волокнистости в площадке разрушения снижается, а доля зернистости увеличивается. В достаточно узком интервале температур испытаний, разном для различных марок сталей, доля площади разрушения FH3JI с волокнистым характером излома (сдвиговая деформация) часто изменяется от 100% до нулевой величины, уступая мес - го хрупкому зернистому излому (деформация отрыва) При этом резко снижается величина работы Gc разрушения металла. Температуру, при которой поверхность разрушения состоит из 50% площади хрупких участков и 50% вязких участков, принято называть первой критической ТКР1 температурой хрупкости (рис. 10 I), а показателем сопротивляемости металла хрупкому разрушению является значение работы разрушения, приходящейся на единицу площади, т. е. ударная вязкость KCU (Дж/см2). В практике создания сооружений условно принято называть температуру, при которой значение KCU = 25. 30 Дж/см2, порогом ыадоломкости. Эта температура свидетельствует о принципиальной возможности перехода металла в хрупкое состояние. Однако такая оценка не является полной. При испытаниях крупных образцов или увеличении скорости нагружения эта температура сдвигается вправо (Ткрі' > Ткрі"), т. е. порог хладоломкости повышается на 10. 30 С.
Кипящие низкоуглеродистые стали, легированные стали с крупным зерном и закаливающиеся стали имеют более высокую температуру перехода в хрупкое состояние.
Под влиянием процесса сварки за счет термического и деформационного воздействия, роста зерна, степени закалки отдельных участков и т. п. значение Ткр повышается, а значение ударной вязкости KCU для этих участков сварного соединения снижается. Поэтому значение ударной вязкости становится одним из основных критериев применимости (свариваемости) материала для сварного соединения.
Установлено, что накопление усталости за счет циклических нагрузок, радиационное и коррозионное воздействие среды, содержание примесей в шве также могут способствовать повышению температуры перехода в хрупкое состояние. Ускоряющим фактором охрупчивания является наличие в сварном соединении концентраторов (внешних или внутренних) напряжений, фор-
Рис. 10.1. Влияние температуры на переход в хрупкое состояние
ма и размеры которых могут существенно ограничивать возможность практического применения сварной кон струкции для тех или иных условий эксплуатации. Основными концентраторами являются подрезы, непрова - ры, несплавления, неметаллические включения и наводораживание шва. Поэтому экспериментальная оценка сопротивляемости хрупким разрушениям, согласно ГОСТ 11150—75 и ГОСТ 9454—78, производится испытанием на ударную вязкость на стандартных образцах с искусственно создаваемыми концентраторами типа надрезов U-образной или V-образной формы (последние предпочтительны для испытаний сварных соединений).
Известны несколько способов экспериментальной оценки свойств охрупченного металла сварных соединений. К ним относятся: силовые, деформационные и энергетические [8].
Сталь для Севера: быстровозводимые металлоконструкции откроют России дорогу в Арктику
В современном мире выигрывает тот, кто предложит дешевле, построит технологичнее, возведет быстрее. Не последнюю роль играет и общемировой тренд на экологическое строительство – меньше вредных веществ в жилье и окружающей атмосфере, меньше строительного мусора и остатков. Идеальным был бы дом, который можно легко собрать, а по истечении срока службы разобрать и пустить на то, что сейчас называется модным словом full recycling – полная переработка.
И, кажется, такие решения уже найдены в сфере стального строительства. Не секрет, что легкие и тяжелые стальные конструкции могут уже в этом десятилетии жестко потеснить на рынке популярные кирпич и железобетон. Это особенно актуально сейчас, когда Россия совершает новый «бросок» в Арктику. В чем же прелесть технологий стального строительства, и как они могут заново открыть для России Север? Попробуем разобраться.
Север - наш!
Север сегодня активно осваивает российская «оборонка». Россия наращивает военные усилия в Полярной зоне - это ни для кого не секрет. Сформировано новое окружное командование «Север», корабли Северного флота ежегодно устраивают здесь походы и учения. Берега Карского моря с удивлением смотрят на небывалый здесь доселе морской десант, а в районе Норильска отрабатываются действия флота и сухопутных войск по отражению нападения противника на стратегические объекты.
Впрочем, одними походами дело не ограничивается. Построены и введены в действие базы, цепочкой раскинувшиеся от Новой Земли до Чукотки. «Арктический трилистник» и база «Нагурское» - теперь известны всем – о них не раз рассказывали федеральные каналы.
Самая северная военная база России - "Арктический трилистник"
Новый шаг в освоении Севера связан и с теми уникальными ресурсными возможностями, которые дает России Арктика. Это, прежде всего разработка месторождений на морском шельфе – теперь, в связи с глобальным потеплением и таянием льдов, это стало возможным. Второе важное стратегическое направление – Северный морской путь, который в 21-м веке может стать одной из крупнейших магистралей мира: грузооборот его растет из года в год.
Пожалуй, сегодня можно говорить о возвращении к советском тренду, когда Русский Север был весьма оживленной территорией – здесь работали промысловики, вахтовики. Горняки занимались добычей полезных ископаемых. Выходили в море рыболовецкие бригады.
Вряд ли кто-то станет спорить с тем, что для возрождения былых масштабов нужна мощная инфраструктура. Здесь и может помочь строительство из металлоконструкций.
- Север - это наша тема, Север должен быть нашим, - в один голос утверждают крупнейшие игроки стального рынка.
Легкие, удобные в монтаже, быстровозводимые
Технология стального строительства действительно оптимальна для полярных широт.
- Как известно, строительство на севере ведется на сваях – это связано с особенностями вечной мерзлоты. При этом сроки строительства в арктической зоне ограничены двумя-тремя месяцами, - рассказывает генеральный директор Ассоциации развития стального строительства (АРСС) Александр Данилов. - Поэтому бетону здесь зачастую делать нечего.
Специалисты уже просчитали, насколько удобнее и выгоднее применять для строительства в Арктике металлоконструкции. Для возведения конструктива можно использовать мощные фермы - балки – они хорошо выдерживают ветровые и снеговые нагрузки. А применение ЛСТК (стальных тонкостенных конструкций) в качестве легкого конструктива - пожалуй, оптимальное решение в случае малоэтажных зданий (ангаров, складов, овощехранилищ, автозаправок и так далее). Остается только обшить возведенный металлический каркас утеплителем или сэндвич-панелями.
Сроки строительства с применением металла получаются минимальными: ведь на стройплощадку привозят практически готовые конструкции, которые нужно только собрать, как конструктор. По такой технологии можно, кстати, строить не только инфраструктуру, но и социальные объекты, жилье.
Привлекательны и прочностные характеристики металлоконструкций. Толщина ЛСТК-профиля, например, около 2 мм. При перепаде температур расширение материала компенсируется внутри профиля (то есть, ни внешняя, ни внутренняя обшивка не трескаются).
Немаловажно и то, что оцинкованная сталь не оказывает практически никакого вредного воздействия на здоровье и окружающую среду.
Не последнюю роль играет и характеристика сейсмостойкости. Японцы в сейсмоопасных районах провели огромное количество экспертиз и доказали: одна из самых недорогих и эффективных технологий строительства в районах где «трясет» - ЛСТК. Эти дома практически «неубиваемы».
"Арктический трилистник" в условиях суровой полярной зимы
Еще одна причина выбора металла для Севера – модульность. Можно воспользоваться альбомами с готовыми проектными решениями. По желанию, можно «собрать» объект из разных модулей - такие альбомы имеются в АРСС. Так, к выставке «Армия-2015», например, модульный дом был построен по готовому проекту, с нуля, всего за 9 дней.
Суммируем. Если уж наша страна серьезно готовится к освоению Севера, Северного морского пути для круглогодичной навигации, то, по логике, стальное строительство в этих районах просто незаменимо. Здесь потребуется возведение не только военных объектов, но и объектов инфраструктуры. Придется строить целые городки - с больницами, школами, детскими садами, большими массивами жилья для людей, которые там будут постоянно жить и работать.
Кстати, для такого строительства не нужно даже специальных сталей, устойчивых к сильным морозам.
-…Хладостойкие стали, действительно, есть. Но для строительства социальных, инфраструктурных объектов в них нет необходимости, - объяснила директор по продажам проектных решений ООО «ТК ЕвразХолдинг» Наталия Береза. – Для минус 70-минус 90 градусов можно вполне производить прокат, который такую температуру выдерживает.
Между тем, особой заинтересованности в «северном» применении металлоконструкций пока не наблюдается.
Ни правительство, ни крупные игроки пока не стремятся максимально «зайти» на северные рынки с новой технологией. В чем же дело? А проблема вырисовывается чисто российская…
Север, смета и немного бюрократизма
Дело в том, что имеются соответствующие федеральные стандарты, в которых прописана главная составляющая строительства на Крайнем Севере - цена.
- Если делать все правильно, то экспертизу вы со своим «стальным» объектом не пройдете, потому что бюджет, который вы закладываете на строительство, превышает государственные нормы раза в полтора, - поделился с нами один из бывалых северных застройщиков. - Соответственно, власти говорят: ваш проект в нормативы не вписывается, стройте из железобетона.
- Например, мы сейчас находимся в процессе экспертизы по школе и детскому саду на Чукотке, - продолжает наш собеседник. - Нам говорят – дорого, переходите на железобетон. А с железобетоном тоже все проблематично. Если открывать «на северах» завод и собирать ж/б модули на месте, то сезон работы – всего 2 месяца. А что в остальное время? Завод будет простаивать? Поэтому и исполнение программы по строительству жилья на этих территориях – 0,4%.
Вписаться в строительные нормативы на Севере - непросто
Справедливости ради, заметим: строить из железобетона, действительно, дешевле. Примерно в полтора раза. Но при этом никто не учитывает логистику. Выгоду, которую можно получить «в комплексе»: с учетом доставки материалов, быстроты строительства и, в дальнейшем, комфортной утилизации объекта.
Посчитаем. Чтобы построить пятиэтажное здание, понадобится 140 тонн черного каркаса и порядка 60 тонн каркасно-обшивных стен. Не так уж много и не так уж тяжело. Если везти на Север железобетон – это будут тысячи тонн. Трудно представить, сколько потребуется условных грузовиков и пароходов.
Если здание построено из железобетона, утилизировать его после того, как оно отслужит свой срок, будет довольно проблематично. Вывезти металл легче, его еще можно потом пустить на вторичную переработку.
Власти северных регионов проникнуться такой арифметикой пока не спешат. Играет здесь роль еще и психологический фактор – неготовность попробовать что-то новое.
Препоной на этом пути зачастую становится и бюрократический взгляд на строительство, когда объект рассматривается без логистики и без инфраструктуры. В итоге, выбирается более легкий и, с виду, более дешевый путь.
Если посмотреть шире
- И все-таки, в конечном итоге, стальное строительство на Крайнем Севере, как ни крути, экономически выгодно, - убеждены эксперты в области стального строительства. Хотя строить из стали дороже, нежели из железобетона, например, но за счет более дешевой логистики и индустриализации процесса, более масштабных объемов строительства можно получить значительную экономию на строительстве при широком освоении Севера.
- Север очень удален от основных территорий, - объясняют эксперты АРСС. - Северные территории довольно активно осваиваются вахтовым методом. Очень часто здесь возводятся временные конструкции. А сталь является одним из незаменимых материалов для постоянных объектов.
Как осваивать Север - на временной или на постоянной основе. Россия пока стоит перед выбором
И тут, конечно, России предстоит решить еще один принципиальный для себя вопрос: как осваивать Север. На временной или на постоянной основе. Если решение будет принято в пользу постоянной северной экспансии, то выгода строительства из металла очевидна.
И первым шагом на этом пути может стать пересмотр законов строительства на Севере. Теперь уже понятно, что для северных территорий на федеральном уровне должны быть приняты другие нормы по ценообразованию и сметам.
Остается надеяться, что стратегическое видение возобладает. Федеральные нормы и стандарты будут творчески пересмотрены. И тогда сталь все-таки проложит свой путь на Русский Север.
Даниил МАЦЕЙКО ( на фото вверху - процесс строительства военной базы "Арктический трилистник" )
Дома «шиворот-навыворот»:
Крайний Север предполагает запредельные морозы и специальные материалы. Например, российская марка стали 14ХГНДЦ - это ответ российских металлургов на американскую сталь А606 - «кортен». Эта сталь практически не ржавеет. А чтобы избежать «мостиков холода», можно балки монтировать снаружи, а внутри делать каркас из сэндвич-панелей и скосов. Получается дом шиворот-навыворот. Зато образовавшийся эффект термоса позволит сохранить тепло в любую стужу.
Читайте также: