МИНИСТЕРСТВО энергетики И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

 

ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

 

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО НАЛАДКЕ, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И СЕТЕЙ "СОЮЗТЕХЭНЕРГО"

 

 

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБСЛЕДОВАНИЮ И ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ

СВАРНЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭСТАКАД ТОПЛИВОПОДАЧ

ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

 

СО 34.21.669

 

УДК 662.6/.8:621.8/.9

 

 

РАЗРАБОТАНО Московским головным предприятием Производственного объединения по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей "Союзтехэнерго" при участии Новосибирского инженерно-строительного института им. В.В. Куйбышева и Днепропетровского инженерно-строительного института

 

ИСПОЛНИТЕЛИ В.Н. ДИДЕНКО (ПО "Союзтехэнерго"); А.В. СИЛЬВЕСТРОВ (Днепропетровский инженерно-строительный институт); В.В. БИРЮЛЕВ, С.Д. ШАФРАЙ, С.А. ГЛАДКОВ, Г.Г. ЧИБРЯКОВ, С.В. МИРОНОВ, В.В. КАРАМАН, С.Ю. ИСАКОВ, В.Г. КУДРИН (Новосибирский инженерно-строительный институт им. В.В. Куйбышева)

 

УТВЕРЖДЕНО Производственным объединением по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей (ПО "Союзтехэнерго")

Заместитель генерального директора В.П. КОРОВИН

 

 

Настоящие Рекомендации разработаны в соответствии с решением Госстроя СССР № 26-Д от 20.03.79 г. о необходимости обследования несущих сварных стальных конструкций, изготовленных из кипящей стали марки Ст3 по ГОСТ 380-50 и другим ранее выпущенным нормативным документом, а также в связи с намеченной широкой реконструкцией тепловых электростанций.

Рекомендации составлены в целях развития и конкретизации Руководства [1] применительно к конструкциям эстакад топливоподачи тепловых электростанций. При этом дополнительно рассматриваются вопросы коррозионных поражений, механических и прочих повреждений, которые могут привести к хрупким разрушениям.

Рекомендации составлены на основе обобщения опыта эксплуатации сварных металлоконструкций эстакад различного назначения и других металлоконструкций ПО "Союзтехэнерго" и другими организациями, результатов выполненных в Новосибирском инженерно-строительном институте исследований хладостойкости металлоконструкций, а также работ Днепропетровского инженерно-строительного института.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников служб зданий и сооружений электростанций и РЭУ (ПЭО), специализированных проектных, научно-исследовательских и монтажных организаций и предприятий.

 

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

1.1. Настоящие Рекомендации распространяются на обследование, анализ результатов, а также оценку обследованных конструкций и направлены на повышение надежности сварных несущих металлоконструкций эстакад топливоподач, выполненных из кипящей стали. В необходимых случаях (при недостаточной надежности) Рекомендации предусматривают демонтаж обследованных конструкций.

В связи с общностью опасности хрупких разрушений для металлоконструкций, выполненных из статей других марок (Ст0, Ст0с, Ст2, Ст3пс, Ст3сп, 09Г2С и т.д.), Рекомендации могут быть использованы при обследовании стержневых конструкций, включающих фермы, балки, прогоны и стойки, а также пространственных стержневых конструкций типа опор ВЛ и структурных конструкций из сталей практически всех марок, применяемых в строительстве.

1.2. Действующими нормами, а также ранее разработанными начиная со СНиП II-В.3-62 (в настоящее время замененными), запрещено применение кипящей стали для ответственных несущих сварных конструкций в связи с повышенной склонностью этой стали к трещинообразованию в сварных конструкциях и хрупкому разрушению при низких температурах. Для конструкций группы I (СНиП II-23-81), к которой относятся пролетные строения и опоры конвейерных галерей, применение кипящей стали запрещено независимо от температуры их эксплуатации.

До введения в действие СНиП II-В.3-62 применение малоуглеродистой кипящей стали марки Ст3 для указанных конструкций, в том числе и для эстакад топливоподач, носило массовый характер. До введения ГОСТ 380-50 не делалось разделения строительной стали по степени раскисления (на спокойную и кипящую) и в технической документации при указании марки стали отсутствовала информации о степени ее раскисления. В 50-е годы широкое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества марки Ст3 по ГОСТ 380-50. С введением в действие ГОСТ 380-60 с новой классификацией марок стали, эта сталь получила наименование Ст3 кипящая. Таким образом, металлоконструкции, смонтированные (изготовленные) до 1960 г. в основном выполнены из кипящей стали. Анализ отказов в работе, происшедших с металлоконструкциями, в том числе эстакадами топливоподач в 60-е годы, свидетельствует о достаточно широком применении в эти годы этой стали.

1.3. В соответствии с указанием Госстроя СССР и Госкомитета СССР по науке и технике все несущие сварные стальные конструкции, выполненные из кипящей стали, должны быть подвергнуты детальному обследованию для оценки опасности их хрупкого разрушения и обеспечения дальнейшей безопасной эксплуатации. В первую очередь это относится к конструкциям открытых установок.

 

2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭСТАКАД

 

2.1. В расчетном отношении эстакады топливоподач представляют собой пролетные балочные или ферменные конструкции, опирающиеся на плоские податливые в продольном направлении эстакады стойки (рис. 1). На одном из своих концов эстакада крепится жестко, другой ее конец выполнен конструктивно-подвижным. Обычно плоскость перемещения подвижной опоры горизонтальна, что позволяет исключить появление скатной составляющей усилия в пролетных конструкциях эстакад от вертикальных нагрузок. Поперечные горизонтальные нагрузки от давления ветра воспринимаются связевыми фермами в плоскости нижних и верхних поясов и передаются на опоры-стойки и далее на фундаменты. При этом пояса стоек работают в основном на сжатие.

 

 

Рис. 1. Пространственно-стержневая схема несущих металлоконструкций открытой эстакады топливоподачи:

a - пролетные конструкции из балок и ферм; б - схема стоек; в - схема связей по верхним поясам ферм и балок; 1 - стойка; 2 - ферма; 3 - балка; 4 - опорный узел и узел соединения пролетных конструкций; 5 - поперечная связевая ферма

 

Пролетные конструкции эстакад (фермы и балки) по всей длине с определенным шагом соединены поперечными связевыми фермами, которые совместно с ветровыми связями несколько повышают надежность эстакад в случае разрушения отдельных элементов пролетных конструкций. Однако расчетом (при проектировании) последнее обстоятельство не учитывается.

2.2. Кроме нагрузок от собственной массы галерей и оборудования эстакады рассчитываются на временную монтажную нагрузку, которая во время эксплуатации конвейеров отсутствует, за счет чего конструкции эстакад при эксплуатации должны работать с некоторой недогрузкой. Однако, как правило, фактическая собственная масса перекрытия и покрытия галереи оказывается на 15-20% выше расчетной, что сводит на нет указанную недогрузку.

К перегрузке эстакады приводит и намерзание льда на конструкциях вследствие протечек перекрытия галерей при гидросмыве.

2.3. Открытые конструкции эстакад регулярно подвергаются воздействию наружных температур, часто довольно низких.

2.4. Работа конвейеров топливоподачи и работающих рядом механизмов вызывает вибрацию элементов конструкций эстакад.

2.5. Расположение под эстакадами автомобильных и железнодорожных путей активно способствует появлению и накоплению механических повреждений металлоконструкций эстакад.

2.6. Воздействие угольной пыли и золы, агрессивных выбросов находящихся вблизи электростанции производств, близость моря, или соленого озера, а также другие факторы приводят к активной коррозии металлоконструкций.

2.7. Функционально-технологические особенности тепловых электростанций таковы, что наибольшая нагрузка на эстакады приходится на зимнее время. Следует отметить, что резервирование топливоподачи осуществляется в основном за счет изменения вида топлива, если другой вид топлива предусмотрен технологией. Однако включение этого резерва связано с перерывом в работе оборудования. Поэтому к надежности конструкций эстакад топливоподачи предъявляются высокие требования. В соответствии с [2], сварные стальные конструкции конвейерных эстакад отнесены к группе I, что предусматривает повышенные требования к качеству стали и условиям ее поставки.

2.8. Технические требования к металлоконструкциям группы I [2] предусматривают применение при расчетных температурах эксплуатации до минус 40°C включительно спокойных (18сп, 18Гсп, ВСт3сп5) и полуспокойных сталей (18Гпс, ВСт3Гпс5, ВСтТпс). Для большинства сталей ударная вязкость при расчетной температуре эксплуатации и после механического старения (при температуре +20°С) должна составлять не менее 0,30 МДж/м² (3 кгс×м/см²). В соответствии с ГОСТ 380-71*, к сталям марки Ст3 категорий поставки 5 предъявляются дополнительные требования к химическому составу (содержание углерода 0,14 £ С £ 0,22%, серы не более 0,04%, фосфора не более 0,05%), пределу текучести [³250 МПа (25 кгс/мм²)], временному сопротивлению [³380 МПа (38 кгс/мм²)], относительному удлинению (³25%), изгибу в холодном состоянии при d = 0,5d (d - диаметр оправки мм, а d - толщина листа мм).

 

3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ОБСЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ,

ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ КИПЯЩЕЙ СТАЛИ И НАХОДЯЩИХСЯ

В ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

 

3.1. Кипящая малоуглеродистая сталь в основном не удовлетворяет требованиям п. 2.8.

3.2. Особенностью эксплуатации сварных конструкций, выполненных из кипящей стали, является повышенная опасность возникновения хрупких разрушений растянутых и изгибаемых элементов, а также узлов соединений элементов и конструкций при пониженных температурах.

В связи с длительной эксплуатацией таких конструкций большое влияние на их техническое состояние оказывают степень поражения узлов и отдельных сечений элементов конструкций коррозией, в том числе щелевой, а также накопленные в процессе эксплуатации механические повреждения. При этом щелевая коррозия в "карманах" (местах соприкосновения полок стыкуемых стержней) способствует хрупкому разрушению сварных швов с развитием трещин изнутри "кармана", а механические повреждения элементов конструкций приводят к исчерпанию пластичности в местах пластического деформирования, что, в свою очередь, способствует увеличению опасности хрупкого разрушения.

3.3. Основные факторы, влияющие на склонность стальных конструкций к хрупкому разрушению:

- низкая температура;

- концентраторы напряжений, в том числе трещины любого происхождения (металлургического, технологического или эксплуатационного);

- характер напряженного состояния и уровень местных и общих растягивающих напряжений;

- характер нагружения. Наибольшую опасность возникновению хрупкого разрушения представляют ударные и циклические нагрузки;

- качество стали. Оно зависит от марки стали и технологии ее изготовления; предопределяется химическим составом и в основном размером зерна, формой и распределением структурных составляющих, методом раскисления, характером предшествующих деформационных и термических воздействий. Среди химических элементов углеродистой строительной стали наиболее вредными с точки зрения хрупкого разрушения являются: фосфор, сера, азот, кислород и водород. Повышенное содержанке углерода также неблагоприятно сказывается на склонности стали к хладноломкости: при прочих равных условиях стали с содержанием углерода менее 0,16% оказываются более стойкими к хрупкому разрушению, чем стали с содержанием углерода 0,17-0,22%, и особенно если содержание углерода превосходит верхнее указанное значение;

- технология изготовления и монтажа;

- геометрические размеры элементов (в том числе толщина проката), узлов и конструкции в целом, т.е. ее габаритные размеры. С увеличением размеров металлоконструкций их стойкость к хрупким разрушениям уменьшается вследствие проявления масштабного фактора и увеличения запаса упругой энергии, которая накапливается в конструкции в результате упругих деформаций под нагрузкой, что сказывается на стадии развития трещины. Кроме того, с увеличением толщины проката его качество ухудшается и склонность к хрупкому разрушению увеличивается;

- время года ввода сооружений в эксплуатацию, а для конструкций, находящихся в длительной эксплуатации, время безотказной эксплуатации и характер предшествующей работы конструкции. При этом имеется в виду в основном возможность приспособления конструкции при ее работе в условиях действия положительных температур. Таким образом, сооружения, введенные в эксплуатацию в теплое время года, оказываются менее подверженными хрупким разрушениям.

Физическое проявление отдельных из указанных факторов и их взаимосвязь в процессе хрупкого разрушения приводятся в приложении 1.

3.4. В настоящих Рекомендациях конструктивные (наличие концентраторов напряжений, неравномерность эпюры напряжений, объемный характер напряженного состояния) и технологические (сварка, резка, правка) факторы, могущие привести к хрупкому разрушению элементов конструкций, представлены в виде обобщенных и конкретных конструктивно-технологических форм выполнения узловых сопряжений металлоконструкций, обладающих низкой хладостойкостыо. Конкретные конструктивно-технологические формы низкой хладостойкости (ККТФНХ) пролетных конструкций эстакад приведены в разд. 4 и рекомендуются для использования при обследовании несущих металлоконструкций как один из основных материалов для оценки опасности хрупких разрушений сооружений.

3.5. С точки зрения качества стали наименее стойкими к хрупким разрушениям являются кипящие стали (более подробно об этом см. приложение 1). Однако установленный при обследовании факт применения кипящей стали в эксплуатируемой долгие годы конструкции не дает оснований для каких-либо выводов о невозможности дальнейшей ее эксплуатации.

3.6. Для оценки сооружений большое значение имеет фактическое время безотказной работы металлоконструкций и информация о фактических низких температурах и их продолжительности в процессе эксплуатации.

3.7. О возможности появления в обследуемых металлоконструкциях, выполненных из кипящей стали, в процессе их дальнейшей эксплуатации хрупких трещин следует судить не только по качеству стали, но и по наличию в конструкциях ККТФНХ, а также по фактическому состоянию конструкций на момент обследования (качество сварки, наличие или отсутствие "холодных" и горячих" трещин) с учетом длительности и фактической температуры эксплуатации.

3.8. Для оценки металлоконструкций с точки зрения опасности хрупких разрушений большое значение имеют наличие двух стадий работы конструкции при ее хрупком разрушении, а именно стадии зарождения трещины и стадии ее развития по всему сечению элемента, а также совершенно разные закономерности работы конструкции и материала на двух указанных стадиях, что автоматически исключает влияние конструктивно-технологической формы на второй стадии работы (после появления трещины) и, кроме того, значительная, как правило, продолжительность второй стадии работы.

Сказанное позволяет при имеющейся теоретической возможности возникновения хрупких разрушений так организовать эксплуатацию конструкций, что появление трещин в характерных и определенных (указанных в заключении по обследованию) узлах конструкции может быть зафиксировано до ее физического разрушения.

3.9. Анализ отказов в работе эксплуатируемых металлоконструкций из-за хрупкого разрушения показывает, что не произошло ни одного хрупкого разрушения сжатых стержней, в том числе стоек эстакад. Однако это не позволяет исключать стойки эстакад из обследований на предмет хрупких разрушений, особенно их сварных швов, в том числе при активной щелевой коррозии, но подтверждает более высокую надежность стоек эстакад по сравнению с их пролетными строениями.

3.10. Более надежны с точки зрения возникновения хрупких разрушений сплошностенчатые изгибаемые стержни (балки, прогоны и т.п.), чем сквозные конструкции (фермы). Прогоны, выполненные из единого прокатного профиля, не подвергаются хрупким разрушениям. Опасность полного разрушения меньше для неразрезных статически неопределимых систем.

Маловероятно хрупкое разрушение элементов конструкций из проката толщиной менее 6 мм. Наиболее подвержены хрупкому разрушению растянутые элементы конструкций из проката толщиной более 12 мм и в особенности 20 мм и выше, что необходимо учитывать при обследовании конструкций.

3.11. Для конструкций из углеродистой кипящей стали особенно опасна предварительная пластическая деформация, тем более в сочетании с последующим нагревом до температуры порядка 200-300°С, что приводит к деформационному старению.

3.12. Интенсивность коррозионного поражения металлоконструкций не связана явным образом со степенью и способом раскисления стали. Степень коррозионного износа зависит от условий и продолжительности эксплуатации.

Вплоть до 1962 г., т.е. до введения СНиП II-В.3-62, применение кипящей стали при строительстве эстакад не было исключено, поэтому продолжительность эксплуатации конструкций из кипящей стали находится в основном в пределах от 23-25 до 40-42 лет. Последний интервал лет приходится на стройки военного периода, многие из которых еще продолжают функционировать. Поэтому при оценке указанных конструкций по результатам их натурного обследования необходимо учитывать, что степень их поражения коррозией является вторым основным фактором (после опасности хрупкого разрушения), снижающим несущую способность и надежность конструкций. При этом указанное снижение определяется в основном уменьшением фактической площади поперечного сечения элементов, а в некоторых случаях (при действии агрессивной среды) также снижением механических свойств стали. Последнее существенно при толщине проката 5 мм и менее или коррозионных поражениях, соизмеримых с толщинами полок и стенок элементов (более 25% толщины). В этих случаях (при исключении возможности хрупкого разрушения) следует снижать расчетное сопротивление стали в зависимости от степени агрессивности среды:

- слабоагрессивная среда - на 5%;

- среднеагрессивная среда - на 10%;

- сильноагрессивная среда - на 15%.

Под воздействием сильноагрессивной среды существенно уменьшается также ударная вязкость стали и повышаются критические температуры хрупкости (например, для стали Ст3 - до 15°С), а устойчивость конструкции к распространению хрупкого разрушения - вторая стадия работы (см. п. 3.8) - не изменяется. Такое влияние коррозионных поражений объясняется повреждениями поверхности металлоконструкций в зонах концентрации напряжений.

При натурном обследовании необходимо фиксировать состояние (в части поражения коррозией) опасных с точки зрения появления хрупких разрушений зон, обнаруженных ККТФНХ на обследуемой конструкции.

При обследовании металлоконструкций, эксплуатируемых в сильно агрессивной среде, рекомендуется оценивать первую критическую температуру (см. приложение 2) и прочность с учетом снижения механических характеристик стали.

Большую опасность для дальнейшей эксплуатации металлоконструкций, особенно выполненных из кипящей стали, представляет глубинная коррозия, способствующая повышению концентрации напряжений и склонности стали к хрупкому разрушению.

Щелевая коррозия в полостях, образуемых в местах соприкосновения поверхностей сочленяемых элементов, приводит к накоплению в них продуктов коррозии и последующему, как правило, фиксируемому глазом выпучиванию листовых элементов (планок, накладок, узловых фасонок и пр.) и частичному или полному разрушению сварных швов. Следует учитывать связь разрушения сварных швов при щелевой коррозии с хрупким разрушением. Силовое воздействие продуктов щелевой коррозии активизирует проявление трещиноподобного дефекта, присущего сварным узлам сочленяемых внахлест элементов с угловыми швами. При отрицательных температурах разрушение сварных швов происходит при напряжениях, существенно меньших предела текучести.

Известны и другие виды щелевой коррозии: между прокатными слоями стали; в непроваренных корнях сварных стыковых швов.

В стержнях, подвергшихся значительному коррозионному поражению (20% и более площади сечения), возможно обезуглероживание стали, что уменьшает ее прочность и предел текучести.

3.13. Металлоконструкции эстакад (стойки и пролетные конструкции) из-за пересечения (в плане) с транспортными магистралями электростанции подвергаются механическим повреждениям при нарушении правил дорожного движения. Эти повреждения довольно легко обнаруживаются визуально в виде общих и местных искривлений стержней и разрушений сварных швов крепления элементов и самих элементов в непосредственной близости к транспортным путям.

Механические повреждения, как правило, сопровождаются значительными пластическими деформациями и часто с их полным исчерпанием, о чем свидетельствуют наблюдавшиеся при обследованиях местные разрывы отдельных полок стержней, что может привести к хрупким разрушениям. В связи с этим при обследовании необходимо обращать внимание на состояние деформированных от механического воздействия элементов металлоконструкций, особенно в местах расположения концентраторов напряжений (окончания сварных швов, поджоги от сварки, забоины и пр.), и учитывать это при разработке схемы усиления деформированных конструкций.

Особое внимание следует обращать на предварительную деформацию элементов при обнаружении в них местных хрупких разрушений.

3.14. К особым видам эксплуатационных повреждений несущих металлоконструкций эстакад топливоподач относятся последствия теплового воздействия (возгорание угля или угольной пыли вблизи металлоконструкций) и воздействия взрывного характера (при взрыве смеси угольной пыли и воздуха внутри галерей).

При обследовании металлоконструкций, подверженных тепловому воздействию, следует иметь в виду, что при нагреве стальных конструкций до температуры 200-250°С разрушается лакокрасочное защитное покрытие, при температуре 300-400°С происходит коробление элементов конструкции. Нагрев свыше 400°C приводит на период нагрева к резкому падению прочностных характеристик стали и несущей способности конструкций.

3.15. Прочие дефекты обследуемых в соответствии с данными Рекомендациями металлоконструкций, связанные с несоответствием проекту их геометрической и расчетной схемы, фактических сечений стержней и элементов, размеров сварных швов узловых сопряжений, фактических нагрузок и воздействий, а также действительных условий работы сооружения, не имеют особой специфики проявления в зависимости от применения кипящей стали и рассматриваются в общем порядке [4, 5].

 

4. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФОРМЫ НИЗКОЙ

хладостойкости пролетных конструкций эстакад

 

4.1. Анализ отказов в работе свидетельствует, что для сварных металлоконструкций всех видов и назначений объективно существуют немногочисленные и типичные конструктивно-технологические формы сочленения их элементов с особо низкой хладостойкостью. Принципиальные схемы этих форм и их обобщенная конструктивная реализация приведены на рис. 2. Практически ни один из известных случаев хрупкого разрушения элементов стержневых металлоконструкций не произошел вне этих конструктивно-технологических форм низкой хладостойкости (КТФНХ). Более того, установлено, что конструктивная форма является определяющим фактором хладостойкости.

Основными свойствами и характерными чертами КТФНХ (см. рис. 2) являются:

- весьма острый конструктивно-технологический надрез (концентратор напряжений), создающий неоднородное объемное напряженное состояние стали;

- изменение структуры стали и ее охрупчивание в связи с термопластическими деформациями сжатия;

- остаточные растягивающие напряжения от сварки как следствие термопластических деформаций сжатия при сварке.

Для практических целей обследования целесообразно из всех известных (ККТФНХ) выделить формы, приводившие в действительности к хрупким разрушениям - рис. 3 и 5 (условно названы формами I типа - повышенной опасности) и формы, которые потенциально способны привести к хрупкому разрушению - рис. 4 и 6 (условно названы формами II типа - потенциальной опасности). Степень опасности для обследуемых конструкций этих двух типов конкретных конструктивных форм с точки зрения хрупкого разрушения различна. Однако методика оценки их опасности и рекомендации по повышению надежности конструкций в основном те же.

Наиболее опасны в эксплуатируемых конструкциях ККТФНХ I типа. На рис. 3 указана относительная степень опасности форм I типа пролетных ферм, выраженная в процентном отношении числа случаев их проявления, приведших к отказу в работе конструкции, к общему числу отказов конструкций данного типа.

В настоящих Рекомендациях указываются узлы и конкретные места в этих узлах, где наиболее вероятно появление трещин.

4.2. На рис. 3 представлены ККТФНХ I типа пролетных ферм:

Форма I-A. Узловые фасонки пролетных ферм при их растрескивании между сварными швами крепления элементов решетки и пояса приводили к отказу в работе в 45% случаев от общего проанализированного числа отказов. Основной причиной возникновения трещин в узловых фасонках являются малые расстояния между кромками элементов решетки с одной стороны и поясов с другой стороны, что при сварке приводит к термопластическим деформациям, порождающим изменение структурного строения стали и остаточные растягивающие напряжения в материале фасонки на участке между поясом и раскосами, что, в свою очередь, приводит к деформационному старению стали.

Расстояние между сварными швами крепления раскосов и поясов (D) должно быть не менее 2,5 толщин фасонки (d).

При транспортировке, разгрузочно-погрузочных работах, неправильном хранении и монтаже (стропке) ферм фасонки испытывают изгибные деформации, что при отрицательных температурах и случайных ударах приводит к появлению хрупких трещин. К возникновению трещин может привести также приварка торцов уголков раскосов к фасонкам лобовыми швами вследствие появления в фасонках однозначного поля растягивающих сварочных напряжений.

Основная часть хрупких разрушений фасонок, как правило, выявляется на стадии монтажа, и поэтому они не всегда приводят к полным отказам в работе. Повреждение этого типа легко поддается выявлению на предмонтажных стадиях и в процессе эксплуатации. Рекомендуется особенно тщательно проводить осмотр конструкций для выявления этого дефекта в первый холодный период, предварительно выявив и пометив узлы с расстоянием между сварными швами, меньшими 2,5 толщины фасонки.

 

Обозначение схемы формы	Принципиальная схема формы	Обозначение формы	Обобщенная конструктивная форма
А		1
		2
Б		1
		2
		3
В		1
Г		1
		2
Д		1
		2
		3
		4

 

Рис. 2. Принципиальные схемы конструктивно-технологических форм низкой хладостойкости:

1 - непровар; 2 - сварной шов; 3 - зона влияния технологического дефекта; 4 - надрывы;

5 - гильотинная резка; 6 - колотые отверстия;

D - технологический зазор (между стыкуемыми деталями или сварными швами); d - толщина характерного элемента, имеющего склонность в данном соединении к хрупкому разрушению

 

Примечания: 1. Надрезы и надрывы в схемах А-Г вызваны дефектами сварки (непровары, подрезы и пр.) и механической обработки. 2. Незначительное расстояние (менее 50 мм) между сварными швами присоединения стыкуемых в узле деталей в схеме Д может приводить к хрупкому разрушению.

 

Тип ККТФНХ	Обозначение формы на рис. 2	Относительная степень опасности, %	Конструктивное решение узла и место возникновения трещины	Характеристика узла и его дефекта
I-A	Д1 Д2	45		Недостаточные расстояния между сварными швами крепления раскосов и поясов (D)
1-Б	А2	25		Соединение пластины встык с усилением дополнительной пластиной и фланговыми швами
				Соединение встык пластины усиливающей пояс из двух уголков, присоединенных к пластине фланговыми швами
				Соединение пояса встык с усиливающими накладками из уголков, присоединенных фланговыми швами
I-B	B1			Соединение пояса встык с непроваром на краях
I-Г	Г1	15		Повреждение кромок узловой фасонки при гильотинной резке без механической обработки кромок
I-Д	Д3 Д4	10		Трещиноподобный дефект
				Недостаточное расстояние между торцами стыкуемых стержней (D)

 

Рис. 3. Конкретные конструктивно-технологические формы низкой хладостойкости пролетных ферм (формы I типа - повышенной опасности): D и d - см. рис. 2;  - трещина

 

Форма I-Б. Стыковые соединения растянутых поясов с дополнительной перекрывающей стыковой сварной шов накладной, прикрепленной к поясу фланговыми швами, пересекающими стыковой шов, приводят к хрупкому разрушению стыка с возникновением трещины от места пересечения швов или дефекта на краю стыкового шва. Особенно неблагоприятен случай расположения флангового шва по кромке стыкуемого пояса, где, как правило, имеются дефекты стыкового шва, если последний выполнен без выводных планок. Основной причиной хрупких разрушений этой конструктивной формы являются в основном те же явления, что и описанные в форме I-A. В итоге возникает охрупчивание стали в месте пересечения сварных швов, а дефекты сварки стыкового шва создают значительные концентраторы напряжений. Хрупкие разрушения возникают, как правило, в рабочем (проектном) положении ферм и приводят к полному отказу в работе конструкций.

Ремонт обнаруженных при обследовании дефектных узлов, выполненных по форме I-Б, можно осуществлять тремя способами: установкой дополнительной накладки, перекрывающей обнаруженное дефектное соединение; удалением механическим путем сварных фланговых швов на участках длиной 50 мм, примыкающих к стыковому шву; удалением механическим путем или с помощью ручной огневой резки участков пересечения стыкового и флангового швов. Последний способ приводит к некоторому уменьшению сечения пояса, что должно быть учтено расчетом.

Форма I-B. Стыковые соединения растянутых поясов, выполненные без выводных планок, имеют значительные дефекты сварки на кромках в начале и конце сварного стыкового шва, что создает существенные концентраторы напряжений. Охрупчивание стали из-за термопластических деформаций при сварке происходит в меньшей степени, чем в ККТФНХ I-Б, поэтому дефект этого типа менее опасен, чем предыдущий, однако в ряде случаев при существенных дефектах сварки приводит к полным отказам в работе. Усиление узлов данного типа и повышение их надежности рекомендуется выполнять с помощью накладок, присоединяемых фланговыми швами, но без приварки их на участках длиной 50 мм, примыкающих с обеих сторон к стыковому сварному шву.

Форма I-Г. Нарушение технологических правил при резке листовых заготовок для плоских деталей (фасонок, накладок и пр.), выражающееся в резке гильотинными ножницами без последующей обработки кромок со сваркой вдоль кромок в непосредственной к ним близости, особенно если сварка выполняется при отрицательной температуре, и наличие концентраторов напряжений приводят к появлению хрупких трещин на торцах фасонок и хрупкому разрушению всего комбинированного сечения пояс - фасонка.

 

Тип ККТФНХ	Обозначение формы на рис. 2	Конструктивное решение узла	Характеристика узла и его дефекта
II-А	Б2		Поперечные ребра приварены к опорному растянутому раскосу
	Б2		Элементы дополнительной решетки приварены к опорному растянутому раскосу
II-Б	Б2		К растянутому поясу приварена поперечная фасонка
II-В	Б1		К кромке растянутого пояса встык приварена фасонка

 

Рис. 4. Конкретные конструктивно-технологические формы низкой хладостойкости пролетных ферм (формы II типа - потенциальной опасности):

1 - фланговые сварные швы; 2 - сварные швы крепления ребер жесткости; D и d - см. рис.2

 

Тип ККТФНХ	Обозначение формы на рис. 2	Конструктивное решение узла и место возникновения трещины	Характеристика узла и его дефекта
I-Е	Б3		Окончание сварного шва крепления опорной фасонки к нижнему поясу выполнено некачественно
I-Ж	B1 A1		Непровар на краях стыкового соединения нижнего пояса при сварке без выводных планок
I-3	A1 А2		Стыковое соединение нижнего пояса, усиленное накладками и фланцевыми швами
I-И	Б1		Окончание сварного шва соединения опорного ребра с опорной плитой
I-К	Д3 Д4		Стык нижнего пояса балки на накладке при плотном примыкании торцов пояса
I-Л	Г1		Гильотинная резка кромок без последующей механической обработки
I-M	-		Стыковое соединение стенки совпадает с окончанием опорного ребра
I-Н	A1		Стыковое соединение стенки с непроваром на краю стыка
I-О	Д1 Д2		Ребра жесткости выполнены укороченными, а сварные швы доведены до конца ребра

 

Рис. 5. Конкретные конструктивно-технологические формы низкой хладостойкости пролетных балок (формы I типа - повышенной опасности):

D - см. рис. 2;  - трещина

 

Тип ККТФНХ	Обозначение формы на рис. 2	Конструктивное решение узла	Характеристика узла и его дефекта
II-Г	Д1 Д2		Не выполнены скосы в углах ребер жесткости, которые должны составлять: 60 мм - по вертикали и 40 мм - по горизонтали

 

Рис. 6. Конкретные конструктивно-технологические формы низкой хладостойкости пролетных балок (формы II типа - потенциальной опасности):

D - см. рис. 2;  - трещина

 

Форма I-Д. Весьма распространены в эстакадах топливоподач так называемые трещиноподобные дефекты сварных конструкций, когда искусственным путем в сварной узел вводится конструктивная трещина. Примером таких узлов могут служить широко распространенные стыки прокатных стержней, выполненные с плотным касанием их торцов и с соединением их накладками и фланговыми швами. При этом узкая щель между торцами стыкуемых стержней играет роль искусственной трещины, которая в процессе хрупкого разрушения развивается в тело накладок. Влияние этого конструктивного дефекта на возможность появления хрупких трещин полностью устраняется при расстоянии между торцами (D), равном 50 мм.

Надежность и хладостойкость этой формы может быть существенно повышена теми же мероприятиями, что указаны выше (см. форму I-Б).

4.3. На рис. 4 приведены ККТФНХ II типа пролетных ферм. Эти формы не приводили к хрупким разрушениям, но содержат конструктивные дефекты, способные вызвать хрупкое разрушение узла:

Форма II-А. Представлены две практические модификации опорных узлов ферм эстакад с дефектами, опасными не только с точки зрения хрупкого разрушения при низких температурах и применении кипящей стали, но и с точки зрения статической прочности растянутых опорных раскосов. Хладостойкость этих узлов существенно снижается из-за пересечения фланговых сварных швов поперечными сварными швами, близкого расположения параллельных поперечных сварных швов одного к другому на полках опорного раскоса и неравномерной эпюры напряжений в раскосе. При анализе этой формы необходимо учитывать возможность хрупкого разрушения и растянутого опорного раскоса, и узловой фасонки. Влияние дефекта полностью устраняется при расстоянии между фланговыми и поперечными швами не менее 20 мм.

Форма II-Б. Поперечное ребро, приваренное парными (с обеих сторон ребра) сварными швами к растянутому поясу, может приводить к снижению статической прочности нижнего пояса и его хладостойкости, особенно при выводе сварных швов на кромку уголка и дефектах сварного шва при его окончании.

Влияние этого дефекта минимально в случае, когда поперечный сварной шов расположен с одной стороны фасонки и не доведен на 40-50 мм до края полки.

Форма II-В. Присоединение узловых фасонок для крепления связей к нижнему поясу резко изменяет сечение пояса, что приводит к искажению эпюры напряжения вблизи окончаний сварного шва, где возможны дефекты сварки. Хрупкая трещина может возникнуть именно в этих местах.

4.4. На рис. 5 показаны ККТФНХ I типа пролетных балок:

Форма I-Е. Опорное ребро жесткости примыкает к нижнему поясу с резким перепадом сечения. Окончание сварного шва соединения ребра с нижним поясом, где изменение сечения совпадает с возможным расположением дефектов швов, является местом наиболее вероятного возникновения трещины в нижнем поясе балки. Возникновению хрупкого разрушения нижнего пояса способствует местное охрупчивание стали при сварке пояса с двух сторон: со стороны стенки балки и опорного ребра.

Форма I-Ж. Стыковой шов нижнего пояса балки выполнен без выводных планок аналогично форме I-B (см. рис. 3).

Форма I-З. Стыковой шов нижнего пояса балки усилен накладками, приваренными фланговыми швами к кромкам стыкуемого пояса с пересечением ими стыкового шва по аналогии с узлом пролетной фермы 1Б (см. рис. 3). При усилении узла накладками фланговые швы должны не доводиться до стыкового шва на расстояние, равное 5 толщинам полки пояса.

Форма I-И. Приопорное ребро жесткости выходит за пределы опорной плиты. К хрупкому разрушению опорного ребра могут привести дефекты окончания сварного шва и технологические дефекты обработки кромок ребра.

При необходимости ребро может быть обрезано с помощью газовой резки вблизи опорной пластины.

Форма I-К. Заводской или монтажный стык нижнего пояса балки выполнен с плотным примыканием торцов сочленяемых деталей с накладками и фланговыми швами, т.е. по типу узла с трещиноподобным дефектом (см. форму 1Д на рис. 3).

Зазор D между торцами стыкуемых стержней должен составлять 40-50 мм. При несоблюдении этого условия необходимо, чтобы фланговые швы не были доведены до торцов на 20-30 мм.

Форма I-Л. Гильотинная резка кромок, особенно при больших толщинах листа (16-20 мм), приводит к надрывам на кромках, а при эксплуатации в условиях отрицательных температур - к хрупким разрушениям.

Форма I-М. Стыковое соединение стенки балки находится в одном поперечном сечении с окончанием сварного шва присоединения опорного ребра к нижнему поясу балки, что иногда происходит при выполнении ребра и части стенки в виде одной детали, что недопустимо. При этом хрупкая трещина образуется у окончания сварного шва, между нижним поясом балки и опорным ребром.

Форма I-Н. Стыковое соединение стенки балки, выполненное с непроваром, особенно на краю стыка, приводит к появлению трещины в стенке и ее развитию на нижний пояс. Последнему способствует возникающий из-за непровара в стыковом шве трещиноподобный дефект на поверхности нижнего пояса и близкое расположение ребер жесткости. Расстояние между стыковым швом и ребром жесткости должно быть не менее 10 толщин стенки балки.

Форма I-О. Ребра жесткости укороченной высоты, расположенные по длине балок, приварены к стенке по всей их высоте. В результате в нижней части ребра образуется резкий концентратор напряжения. Опасность хрупкого разрушения увеличивается при дефектах сварки в окончании сварного шва.

Опасность возникновения этих трещин может быть существенно уменьшена путем выполнения у концов ребер (и сварных швов) сверленых отверстий. Ребро жесткости должно иметь скос внизу, а сварной шов - не доведен до конца ребра на 100 мм.

4.5. На рис. 6 приведена ККТФНХ II типа пролетных балок, т.е. форма, которая практически не приводила к хрупким разрушениям.

Форма II-Г. Ребра жесткости балок выполнены без скосов в углах, что приводит к двойному (по обе стороны ребра) пересечению швов трех направлений со всеми вытекающими отсюда последствиями: объемное напряженное состояние, остаточные напряжения, местное охрупчивание стали, возможные дефекты сварного шва при переходе его с одной плоскости на другую, что может привести к хрупким разрушениям в нижних поясах балок. Дефект не поддается исправлению.

 

5. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И ПОРЯДОК РАБОТ ПО ОБСЛЕДОВАНИЮ

ЭСТАКАД ТОПЛИВОПОДАЧ

 

5.1. Исходя из объема и глубины выполняемые обследования можно разделить на следующие виды:

- полные и детальные, т.е. всех конструкций во всех аспектах;

- частичные или выборочные (части конструкций или по частным вопросам); например, нижних частей стоек в отношении коррозионных поражений или основных несущих конструкций в части применения кипящей стали;

- экспресс-обследования или экспертные для определения состояния сооружений; например, для выявления необходимости выполнения детального обследования.

Полные детальные обследования сооружений выполняются по специальному решению или в связи с реконструкцией. Такому обследованию обычно предшествует экспертная оценка состояния сооружения. При удовлетворительном качестве изготовления и монтажа конструкции и ее состояния обследование может быть выборочным. Если при выборочном обследовании обнаружены недопустимые дефекты, необходимо произвести детальное обследование всех конструкций.

5.2. Основными задачами обследования является:

- выявление технического состояния в части хладостойкости и имеющихся резервов хладостойкости конструкций;

- разработка достаточно простых, не связанных со значительными капитальными затратами, рекомендаций по надежному использованию резервов хладостойкости при эксплуатации конструкций.

Дополнительно оценивается техническое состояние конструкций при длительной их эксплуатации, в том числе - и особенно - дефекты, накопившиеся в процессе эксплуатации и способствующие хрупким разрушениям, а также все дефекты конструкций, позволяющие оценить их техническое состояние для определения возможности дальнейшей эксплуатации.

Задачи, стоящие перед обследованиями, решаются в несколько этапов:

- изучение настоящих Рекомендаций, технической проектной и исполнительной документации;

- выполнение натурного обследования;

- оценка состояния конструкций;

- разработка конкретных рекомендаций по ремонту, усилению и эксплуатации конструкций.

5.3. Натурные обследования конструкций включают:

- подбор и изучение технической проектной и исполнительной документации;

- оценку объекта в части доступа к отдельным его узлам и подготовку объекта к обследованию;

- подготовку приборов и инструментов к выполнению работ по обследованию. Перечень приборов и материалов, необходимых при обследовании металлоконструкций эстакад топливоподач, приведен в приложении 3;

- осмотр конструкций и отдельных их узлов с измерением профилей и с записью всех обнаруженных дефектов;

- взятие проб и исследование стали (при отсутствии сертификатов на сталь или конструкции), а если необходимо - и продуктов коррозии;

- приборное обследование конструкций (для определения осадки опор, отклонения по горизонтали, толщин стенок, глубины язв коррозии и пр.);

- обработку результатов обследования.

5.4. Оценка состояния конструкций по результатам обследования производится после обработки всех полученных данных. Для оценки несущей способности и хладостойкости конструкции необходимо выполнение поверочного расчета с учетом результатов обследования.

5.5. Работы по обследованию завершаются разработкой конкретных рекомендаций по ремонту, усилению и эксплуатации обследованных конструкций.

На основании этих рекомендаций и непосредственно результатов обследования проектной организацией выполняется проект реконструкции (усиления) конструкций.

 

6. МЕТОДИКА ОБСЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩИХ металлоконструкций ЭСТАКАД топливоподач

 

6.1. Подбор и изучение технической документации

6.1.1. До начала выполнения обследования необходимо изучить проект, рабочие чертежи стадий КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции металлические, деталировочные чертежи), по которым производилось изготовление и монтаж металлоконструкций. При изучении проекта обращается внимание на особенности конструктивных решений, в том числе на наличие ККТФНХ, и требования к металлу элементов в зависимости от климатического района эксплуатации конструкций.

6.1.2. В состав технической документации, подлежащей изучению в процессе обследования, также входят:

- паспорт на сооружение;

- документы на проектные нагрузки и их изменение в процессе эксплуатации;

- сертификаты на конструкции, сталь и другие материалы и изделия (метизы, электроды и пр.);

- акты на допущенные отступления от проекта и на недоделки, обнаруженные при сдаче конструкций в эксплуатацию;

- акты на устранение недоделок;

- документы, согласующие отступления от проекта;

- акты приемки скрытых работ;

- данные геодезических измерений при проверке разбивочных осей и установке конструкций;

- описи или копии удостоверений сварщиков-монтажников;

- акты повреждений и ведомости дефектов, выявленных в процессе эксплуатации;

- акты на ремонтные работы, а также на работы по усилению конструкций;

- результаты предыдущих обследований.

При необходимости производится анализ данных по грунтам и допускаемых на них нагрузок, а также данных геодезической съемки, производимой в процессе эксплуатации.

6.1.3. Подбор и изучение технической документации рекомендуется проводить в соответствии с [1], где эти вопросы изложены достаточно полно. Как показали результаты ряда обследований, на электростанциях, как правило, отсутствуют сертификаты на конструкции и материалы, исполнительная техническая документация, а часто и акты на скрытые работы. Это значительно усложняет работу по обследованию и достоверную оценку сооружения. В материалах обследования при оценке технического состояния сооружения должно быть отмечено отсутствие необходимой документации.

Общий объем работ по обследованию сооружений, по которым отсутствует какая-либо техническая документация, оказывается бóльшим. Обследование этих конструкций необходимо поручать специалистам более высокой квалификации.

6.1.4. Оценка материала конструкций может быть выполнена при изучении соответствующей технической документации.

Основным свойствами, важными с точки зрения работы материала в строительных конструкциях, являются прочность, пластичность, склонность к хрупкому разрушению и свариваемость.

Исходными данными для оценки материала конструкций могут служить: год производства стали и технические условия на ее поставку [27-31], указания на рабочих и исполнительных чертежах, выписки из заводских сертификатов и контрольные испытания специально вырезанных образцов. При этом необходимо установить марку стали (или ее аналог) в соответствии с действующими техническими условиями или отраслевыми и государственными стандартами [32].

 

6.2. Дополнительный анализ металла и оценка его качества. Анализ продуктов коррозии

6.2.1. Анализ стали обследуемых конструкций выполняется при отсутствии сертификатов или недостаточности имеющихся в них данных.

6.2.2. При исследовании стали выполняется химический анализ на содержание углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Если предполагается, что в конструкциях использован прокат завода "Азов-сталь", работающего в основном на рудах керченских месторождений, выявляется содержание мышьяка, а для стали бессемеровского и томассовского конверторного производства - содержание азота.

Для оценки стали по степени раскисления, а именно для определения кипящей, полуспокойной и спокойной сталей, следует исходить из процентного содержания кремния. При этом его содержание по ГОСТ 380-71* в стали марки Ст3 составляет:

- в кипящей стали - до 0,07%;

- в полуспокойной стали - 0,05-0,17%;

- в спокойной стали - 0,12-0,30%.

При исследовании стали определяются следующие механические характеристики:

- предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение при растяжении;

- ударная вязкость на стандартных образцах шириной 10 или 5 мм с U-образным надрезом при температуре эксплуатации, если она ниже минус 20°С, и при температуре минус 20°С, если температура эксплуатации выше минус 20°С, и после искусственного старения при температуре +20°С.

При анализе случаев разрушения металлоконструкций, кроме того, выявляется распределение сернистых включений способом отпечатков по Бауману и определяется микроструктура стали.

6.2.3. Пробы стали для испытаний отбираются в соответствии с [1] от партии элементов. К одной партии относится не более 30 элементов одного типоразмера проката (лист, уголок и пр.), одной марки стали и входящих в состав однотипных конструкций одной поставки или одного периода изготовления.

Количество и размер заготовок, вырезанных из элементов одной партии, зависит от выбранных видов испытаний и количества проб (образцов) для каждого вида испытания (табл. 1).

 

Таблица 1

 

 

 

Вид испытания	Количество элементов от одной партии	Количество проб (образцов)
		из элемента	всего от партии
Испытание на растяжение	2	1	2
Химический анализ	3	1	3
Ударная вязкость:
при +20°С	2	³3	³6
при -20°С	2	³3	³6
Отпечатки по Бауману	2	1	2

 

6.2.4. Места отбора проб должны располагаться на наименее напряженных участках элементов, а именно:

- в нижних поясах ферм - на свободных горизонтальных полках в крайних нижних узлах при шарнирном расчетном опирании ферм или в наименее нагруженных панелях поясов при неразрезной схеме ферм;

- в раскосах - на свободных полках в узлах;

- на фасонках с минимально нагруженными раскосами;

- в нижних поясах балок - на их приопорных участках;

- в стенках балок - на их средней части.

Все образцы для механических испытаний вырезают из сортового и фасонного проката - вдоль направления прокатки, а из листового и широкополосного - поперек направления прокатки.

Места отбора проб следует назначать вдали от мест с концентраторами напряжений, а последующее усиление этих мест следует производить с примыканием элементов усиления к основному металлу внахлест (примыкание их встык должно быть исключено).

6.2.5. Отбор проб, изготовление образцов и испытания производятся по соответствующим государственным стандартам:

- отбор проб для определения химического состава - по ГОСТ 7565-73, а заготовок для механических испытаний - по ГОСТ 7564-73;

- химический анализ - по ГОСТ 22536.1-77 ¸ 22536.6-77;

- изготовление образцов и их испытание на статическое растяжение - по ГОСТ 1497-73; рекомендуются плоские образцы типа I и II короткие (l₀ = 5,65, где l₀ - рабочая длина образца, F₀ - рабочее сечение образца);

- изготовление образцов для определения ударной вязкости и их испытание при нормальной и пониженной температурах - по ГОСТ 9454-78.

Для определения ударной вязкости образцы отбирают таким образом, чтобы одна из граней образца совпадала с поверхностью металла и после ее обработки сохраняла ее следы (для контроля), а ось надреза была перпендикулярна этой плоскости.

6.2.6. О качестве стали и ее сопротивляемости хрупкому разрушению судят на основании сопоставления результатов дополнительных испытаний с нормами, регламентированными действующим СНиП [2] для данной конструкции, а при необходимости также с данными СНиП, ГОСТ, ОСТ и технических условий на поставку стали, действовавших на период возведения обследуемых конструкций. На основании данных химического анализа и требований ГОСТ 380-71* должна быть установлена марка стали. При недостаточности сведений, содержащихся в ГОСТ 380-71*, для установления марки стали необходимо воспользоваться специальными справочниками [34].

6.2.7. Анализ продуктов коррозии целесообразен в тех случаях, когда не установлены причины и источники коррозии, а коррозионное поражение достигло значительных размеров.

 

6.3. Натурные обследования состояния сварных металлоконструкций и их фундаментов

6.3.1. Натурные обследования сварных металлоконструкций производятся для выявления в них возможных дефектов и повреждений, возникших при изготовлении, транспортировке, хранении, монтаже и эксплуатации.

Обследования строительных металлоконструкций эстакад топливоподач можно разделить на низовые, верховые и обследования изнутри галерей.

Низовые обследования выполняются с земли, при отсутствии снега, с детальным осмотром конструкций, находящихся в непосредственной близости, невооруженным глазом, а также общим осмотром всех остальных конструкций в целом невооруженным глазом или с помощью бинокля.

Верховые обследования выполняются с автовышки, соседних конструкций.

Изнутри галереи производится обследование несущих пролетных металлоконструкций (при их расположении внутри галереи), несущих конструкций покрытия и связей покрытия и стен. При этом обращается внимание на полноту схемы связевых элементов, антикоррозионное покрытие и особенно на состояние нижних участков металлоконструкций, соприкасающихся с полом (при наличии гидросмыва).

При осмотре общестроительных конструкций галерей (перекрытий, стен и покрытий) основное внимание обращается на толщину цементной стяжки внутри галереи и теплоизоляционного слоя на кровле с целью сравнения ее с проектными значениями. По данным этих обследований устанавливается общая фактическая нагрузка от стен, перекрытий и покрытий, а на основании сравнения ее с проектной выясняется значение фактической перегрузки несущих конструкций эстакады.

6.3.2. При низовых обследованиях производится детальный осмотр следующих конструкций стоек:

- верхних частей фундаментов;

- узлов опирания и закрепления стоек на фундаментах;

- нижних частей стоек (поясов, раскосов, узлов соединения), а также общий осмотр всей конструкции в целом.

При детальном осмотре нижней части стоек обращается внимание на следующее:

- качество выполнения и состояние железобетонных фундаментов (наличие сколов бетона, наличие и состояние бетонной подливки под башмаками опор, фактическая прочность бетона и пр.);

- степень поражения коррозией ветвей стоек у их основания (предварительно при этом необходимо предусмотреть очистку оснований стоек);

- механические повреждения металлических пролетных конструкций и стоек транспортными средствами и другими механизмами, что часто обусловлено расположением под эстакадами автодорог, железнодорожных веток и пр.;

- наличие следов отбора проб металла с последующим усилением этих мест;

- состояние узловых сопряжений (болтов, сварных швов, заклепок) и антикоррозионного покрытия в нижней части стоек;

- наличие анкерных болтов, гаек и контргаек (или обварки гаек), соответствие диаметра отверстия размеру гаек, что определяет характер и необходимую площадь опирания гаек на опорную плиту при возникновении растягивающих усилий в поясе стойки, отсутствие зазоров под гайками анкерных креплений;

- соответствие фактических сечений стержней стоек сечениям, предусмотренных проектом;

- вертикальность стоек (с помощью отвеса или теодолита);

- отсутствие под эстакадой помещений (складов, мастерских и пр.), не предусмотренных проектом, а также подвески к конструкциям механизмов, трубопроводов и других деталей, создающих дополнительные неучтенные проектом нагрузки на эстакаду, а также резервуаров (например, с горячей водой).

6.3.3. При общем осмотре конструкций с земли обращается внимание на следующее:

- наличие в конструкциях ферм и балок пролетных строений известных ККТФНХ, которые могут вызвать хрупкое разрушение;

- отсутствие просадок оснований под фундаментами стоек;

- полноту и законченность пространственно-стержневой схемы конструкции (наличие и целостность всех рабочих стержней и связей в стойках и пролетных частях и их состояние - прикрепление и прямолинейность стержней) невооруженным глазом, а также с помощью бинокля;

- законченность заводских и монтажных узлов конструкции;

- отсутствие крупных повреждений конструкций, видимых в бинокль или невооруженным глазом;

- соответствие фактической схемы работы эстакады и отдельных ее элементов (пролетных ферм, стоек и пр.) расчетной схеме (отсутствие лишних нерасчетных связей, изменяющих расчетную схему работы, особенно в опорных зонах конструкций стоек, ферм и балок);

- общий вид узлов опирания пролетных ферм эстакады и соединения одного с другим (в бинокль);

- отсутствие льда на конструкциях эстакад (зимой), образующегося при неудовлетворительном состоянии гидроизоляции перекрытия галереи в случае применения гидросмыва.

6.3.4. При верховых обследованиях производится детальный осмотр:

- узлов конструкции (узлов соединения решетки с поясами стоек и ферм, верхних оголовков стоек, узлов опирания балок и ферм на стойки и взаимного соединения балок и ферм);

- сварных швов с выборочным контролем катета с помощью шаблона (рис. 7), а также длины сварных швов (осуществляется в нескольких узлах с наибольшими усилиями - узлы опорных раскосов, стыки поясов и пр.);

- монтажных болтов;

- заводских и монтажных стыков по длине стержней, особенно растянутых (нижние пояса, растянутые опорные раскосы и пр.), нижних поясов пролетных балок.

При детальном осмотре конструкций обращается внимание на сведущее:

- характер выполнения отмеченных при общем осмотре с земли ККТФНХ с измерением толщин характерных элементов и характерных расстояний (между торцами сочленяемых элементов, сварными швами и пр.), известных из рис. 2-6, и наличие, местоположение и размеры трещин в характерных местах, указанных на рис. 3-6;

- соответствие фактических сечений расчетных стержней проектным;

- качество сварных швов, особенно в расчетных сечениях (опорные раскосы, заводские и монтажные стыки поясов и пр.);

- отсутствие трещин в сварных швах и других дефектов, приведенных на рис. 2-6;

- соответствие проекту и современным конструктивным требованиям выполнения узлов опирания балок и ферм на стойки и соединений балок (ферм) одну с другой (наличие прокладок, заполняющих зазор между вертикальными фасонками опорных узлов); полную обварку опорных частей ферм и балок на верхних оголовках стоек; наличие болтов, качество их затяжки (определяется простукиванием) и мероприятий, препятствующих самопроизвольному ослаблению болтовых соединений - наличие контргаек, пружинных шайб или заварки гаек);

- конструктивное оформление самих опорных узлов у балок и ферм (отсутствие поперечных сварных швов на рабочих элементах, пересечений сварных швов и пр.);

- состояние антикоррозионного покрытия;

- доступность для осмотров, направление движения и состояние катковых опор (подвижность, отсутствие лишних предметов в зоне действия катков, препятствующих их движению, наличие следов их движения под действием температурных деформаций, наличие скатной составляющей усилий в пролетных балках или фермах (в соответствующих поясах);

- наличие стального проката повышенной толщины - более 12 мм и особенно 20 мм и более, что неудовлетворительно с точки зрения хладостойкости;

- наличие расслоения листового проката;

- вибрацию стержней (связей) и конструкции в целом.

 

 

Рис. 7. Шаблоны для оценки катета шва:

а - шаблон для катетов размером 4; 6; 8 и 10 мм; б - шаблон для катетов размером 5; 7; 9 и 11 мм

1 - отверстие для прикрепления шаблона на брелок. Материал шаблона - сталь или алюминий толщиной 1 мм; цифры, выштампованные по углам шаблонов, обозначают размер катета шва в миллиметрах

 

6.3.5. При осмотре сварных швов в первую очередь обращается внимание на дефекты, которые могут привести к возникновению хрупких трещин (поджоги основного металла в начале сварного шва и вдоль него, некачественное окончание сварного шва - появление кратеров, усадочных микротрещин и пр.), непрерывность сварных швов, а также на их размеры (катет и длину). При определении фактической длины сварного шва, закладываемой в последующий поверочный расчет, из общей его длины вычитаются пропуски и по 20 мм на начало и конец сварного шва.

При оценке на основании обследования расчетного катета сварного шва учитывается его "наваливание" на одну из соединяемых деталей.

6.3.6. При детальном верховом обследовании растянутых элементов и фасонок обязательным является установление фактических толщин элементов, наличие поврежденных в процессе транспортировки, монтажа и эксплуатации поверхностей и кромок.

6.3.7. При детальном обследовании выявленных ККТФНХ следует пользоваться данными, приведенными в пп. 4.2-4.5 и на рис. 2 - 6. Особое внимание должно быть уделено обнаружению трещин всех видов, направлений, размеров, расположенных в зонах, отмеченных на рис. 2 штриховкой, а на рис. 3 - 6 знаком трещины. Кроме известных методов (подтеки ржавчины, шелушение краски и окалины; зачистка наждачным кругом, шкуркой или напильником; снятие стружки зубилом и пр.) рекомендуется простой и эффективный метод обнаружения трещин путем смачивания обследуемой поверхности легкоиспаряющейся жидкостью (бензином, ацетоном, эфиром и пр.). Для применения этого метода следует на хорошо очищенную поверхность стали нанести тампоном испаряющуюся жидкость, которая в случае наличия трещины проникает в нее. Некоторое время трещина легко просматривается невооруженным глазом или с помощью лупы в виде тонкого влажного волокна на поверхности металла.

В перспективе рекомендуется для обеспечения более полной гарантии отсутствия трещин при обследовании применять физические методы контроля (ультразвук, гамма-контроль и пр.).

Для обнаруженных ККТФНХ обоих типов следует с точностью до ±0,5 мм определить толщину элементов, отмеченных на рис. 2 - 6 буквой "d", а также зазоры (расстояния), обозначенные знаком D.

6.3.8. Отрицательное влияние на несущую способность металлоконструкций оказывают следующие коррозионные поражения металла стержней и узлов:

- общая равномерная поверхностная коррозия элементов;

- местная, очагового типа и глубинная коррозия;

- язвенная равномерная поверхностная коррозия;

- щелевая коррозия.

Общая равномерная поверхностная коррозия наблюдается на открытых не защищенных антикоррозионным покрытием поверхностях металлоконструкций. Ее интенсивность определяется влажностью (активно проявляется при относительной влажности 60% и более) и агрессивностью среды. Степень поражения стержней этим видом коррозии оценивается уменьшением площади поперечного сечения, определяемым путем измерения действительной толщины элемента и сравнения ее с исходной.

Местная очагового типа и глубинная коррозия активно проявляются в местах повышенного загрязнения (башмаки стоек), в конструкциях, подвергающихся регулярной или постоянной засыпке углем, в узлах скопления продуктов коррозии (в полостях соприкосновения поверхностей стыкуемых стержней).

Глубина поражения местной коррозией относительно поверхности плоских элементов может быть определена с помощью индикаторного глубиномера (рис. 8).

 

 

Рис. 8. Индикаторный глубиномер:

1 - индикатор часового типа; 2 - опорная площадка; 3 - накидная гайка; 4 - измерительный наконечник

 

Язвенная равномерная поверхностная коррозия также приводит к уменьшению площади поперечного сечения. В ПО "Союзтехэнерго" разработан способ оценки степени коррозионного износа при указанном виде коррозии, позволяющий коррозионный износ выразить в процентах от площади поперечного сечения. При этом глубина язв измеряется с помощью индикаторного глубиномера.

Для центрально растянутых стержней средняя глубина язв определяется в сечении максимального поражения коррозией путем измерения их глубины минимум в трех точках с каждой стороны плоской поверхности.

Для центрально сжатых стержней выбираются три сечения по длине профиля: одно в середине и два в четвертях длины. Глубина язв определяется в трех точках выбранных сечений на каждой плоской поверхности элементов с обеих сторон. Результаты измерений усредняют и получают среднее значение глубины язв.

Абсолютная глубина поражения металла за счет язв принимается равной сумме средних значений глубин язв с обеих сторон плоских элементов.

Относительная степень поражения каждого плоского участка стержня определяется в процентах по отношению к толщине, измеренной с помощью штангеля.

 

6.4. Обработка результатов обследования

6.4.1. Обработку материалов производят по мере их накопления, обработанные результаты обследования представляют при отсутствии или незначительном количестве несоответствий с проектом - обычным текстом, при большом количестве несоответствий - в виде таблиц. При этом производится оценка фактической нагрузки на сооружение и сопоставление ее с проектной, а также расчетная оценка напряженного и деформированного состояния отдельных конструкций в расчетных сечениях (средние панели поясов, опорные и приопорные раскосы, а также элементы с сечениями, меньшими проектных).

6.4.2. Особое внимание при обработке данных обследования уделяется опасности хрупкого разрушения. При этом существенное значение имеют следующие показатели:

- химический состав стали (в готовом прокате): предельно высокое содержание углерода - 0,22%, серы - 0,05%, фосфора - 0,04% и азота - 0,008%;

- наличие ККТФНХ: число этих форм и количество узлов, в которых они имеют место (отдельно для форм I и II типов);

- состояние сварных швов; качество сварки, количество трещин и степень их опасности (определяется по их ориентированию относительно направления силового потока в элементах);

- ударная вязкость: при температуре минус 20°С и после механического старения - не менее 0,3 МДж/м² (3 кгс×м/см²);

- относительное удлинение - не менее 26%;

- свариваемость - по углеродному эквиваленту; для стали определяется по формуле

С_э = С + Mn/6 + Cr/5 + V/5+ Mo/4 + Ni/15 + Cu/13 + Р/2,                          (1)

где C, Mn, Cr, V, Mo, Ni, Cu и Р - соответственно процентное содержание углерода, марганца, хрома, ванадия, молибдена, никеля, меди и фосфора. Стали хорошо свариваются при С_э £ 0,45%.

Углеродистая сталь хорошо сваривается при содержании углерода £ 0,22%, серы £ 0,055, фосфора £ 0,05, кремния £ 0,22%.

Кроме того, дополнительно рекомендуется на основании результатов обследования по методике, изложенной в приложении 2, производить приближенную оценку первых критических температур, обнаруженных ККТФНХ и прочность их характерных элементов при низких температурах, соответствующих условиям эксплуатации. При этом необходимо иметь в виду, что конструкции, выполненные из кипящей стали, и эксплуатирующиеся в условиях низких (минус 30°С и ниже) температур оказываются в ненадежной области работы стали, где надежность конструкций не обеспечена. В связи с этим достаточно достоверная расчетная оценка прочности таких конструкций при низких температурах чрезвычайно затруднительна, причем основная трудность состоит в оценке фактических свойств самой стали при низких температурах и фактического состояния обнаруженных ККТФ. Поэтому, в соответствии с настоящими Рекомендациями, расчетную оценку предлагается выполнять в крайних точках диапазона возможного разброса первой критической температуры.

При этом нижняя граница этого диапазона принимается в соответствии с указаниями приложения 2. Для некоторых КТФНХ такие указания отсутствуют. В последнем случае нижняя граница температурного диапазона приближенно принимается на 30°С выше первой критической температуры для КТФНХ конструкций из спокойной стали, установленной по данным приложения 2.

За верхнюю границу указанного диапазона принимается температура на 10°С выше первой критической температуры для спокойной стали, определенной в соответствии с приложением 2.

6.4.3. При оценке степени коррозионных повреждений конструкции определяется фактическая толщина стенок и полок профилей, эквивалентная их толщина с учетом равномерной язвенной коррозии, а также фиксируется наличие щелевой коррозии в "карманах" (во внутренних полостях, образованных соприкасающимися плоскостями соединяемых элементов).

6.4.4. При оценке сооружения по результатам обследования учитывается:

- общее состояние конструкций с учетом имеющихся эксплуатационных повреждений и дальнейшего возможного их развития;

- напряженное и деформированное состояние конструкций с учетом фактических постоянных, а также возможных временных нагрузок и действительного состояния конструкций;

- опасность хрупкого разрушения.

6.4.5. В заключении о техническом состоянии обследуемой конструкции кроме оценки сооружения на момент обследования необходимо указывать гарантированный срок нормальной эксплуатации после обследования и дать рекомендации о времени проведения следующего обследования.

6.4.6. Факт обследования с основными его результатами по оценке состояния конструкций и выполненными рекомендациями, в том числе по отбору проб металла и результатам его испытания, заносятся персоналом электростанции в паспорт сооружения. Содержание записи в паспорт определяется лицом, составляющим заключение по результатам обследования. Запись в паспорт должна быть лаконичной и содержать ссылку на материалы обследования.

 

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ О ТЕХНИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ КОНСТРУКЦИЙ

И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

 

7.1. Возможные решения по результатам обследования

7.1.1. По результатам обследования могут быть приняты следующие решения:

7.1.1.1. Нормальная эксплуатация конструкций (при выполнении очередных осмотров и мероприятий по ремонту и эксплуатации) - в случае удовлетворения всех действующих нормативных технических требований.

7.1.1.2. Нормальная эксплуатация конструкций при регулярном или периодическом контроле их состояния - в случае частичного неудовлетворения действующих нормативных технических требований.

7.1.1.3. Выполнение ремонта - в случае неудовлетворения нормативных технических требований как современных, так и соответствующих времени изготовления металлоконструкций, если путем ремонта конструкция может быть приведена в нормальное состояние.

7.1.1.4. Подстраховка или усиление (в том числе изменение расчетной схемы) - в случае значительных несоответствий технического состояния конструкций действующим нормативным требованиям, которые не могут быть устранены путем ремонта.

7.1.1.5. Замена конструкций - в случае значительного объема повреждений, исключающих приведение их в нормальное состояние путем ремонта, усиления и пр.

7.1.1.6. Временная эксплуатация конструкций до выполнения ремонта, усиления или замены.

7.1.1.7. Выключение конструкций из работы - в случае, когда эксплуатация сооружений под нагрузкой грозит отказом в работе.

7.1.1.8. Демонтаж выключенных из работы сооружений, техническое состояние которых грозит их обрушением даже в неработающем состоянии (при выключенных конвейерах).

 

7.2. Заключение при наличии трещин

7.2.1. Эксплуатация металлоконструкций эстакад с трещинами хрупкого происхождения в основном металле, грозящими при своем дальнейшем развитии обрушением несущих конструкций, не допускается.

После обнаружения таких трещин при летнем обследовании ремонтные работы должны быть выполнены незамедлительно. До выполнения ремонта и в процессе его производства необходимо организовать регулярное наблюдение за состоянием трещин. При их активном развитии ремонтные работы должны производиться при условии надежной подстраховки конструкций и обеспечения безопасной работы ремонтного персонала.

При обнаружении опасных трещин в процессе зимнего обследования или осмотра конструкции должны быть подстрахованы с выполнением ремонтных работ с наступлением положительных температур.

При необходимости срочного проведения ремонтных работ (в зимнее время) необходимо пользоваться указаниями п. 1.9 [25].

7.2.2. При наличии большого количества (в каждом узле) трещин по сварным швам, не вызванных щелевой коррозией в "карманах", конструкция подлежит замене.

При разрушении сварных швов из-за щелевой коррозии конструкция подлежит ремонту для восстановления нарушенных сварных соединений.

7.2.3. При наличии трещин в отдельных узлах и их расположении в характерных местах (ККТФНХ) устанавливается основная причина их появления и возможность ремонта конструкций.

Если конструкция не поддается ремонту и усилению, она должна быть заменена. Если конструкция поддается ремонту или усилению, то делается технико-экономическая оценка двух вариантов (ремонт усилением и замена).

7.2.4. При наличии отдельных трещин в сварных швах, причины возникновения которых не связаны с хрупкими разрушениями при низких температурах, а сами трещины не представляют опасности для работоспособности эстакады, конструкции подлежат ремонту (засверливание концов трещин, а если необходимо - разделка трещин на всю толщину листа с последующей заваркой).

 

7.3. Заключение при отсутствии трещин

7.3.1. К дальнейшей эксплуатации без проведения дополнительных мероприятий допускаются конструкции, удовлетворяющие следующим требованиям:

- соответствуют проекту и действующим СНиП;

- в обследованных конструкциях отсутствуют ККТФНХ;

- качество стали соответствует нормам действующих стандартов и СНиП;

- фактические нагрузки на конструкции, режим и условия их эксплуатации соответствуют требованиям проекта и действующих СНиП;

- техническое состояние конструкций с учетом качества изготовления и монтажа, а также имеющихся эксплуатационных повреждений и возможности их развития при дальнейшей эксплуатации - удовлетворительное;

- результаты поверочного расчета при фактических нагрузках - удовлетворительные.

7.3.2. Конструкции, удовлетворяющие требованиям п. 7.3.1 (за исключением требования об отсутствии в них ККТФНХ) допускаются к дальнейшей эксплуатации без каких-либо ограничений при отсутствии трещин в характерных местах обнаруженных ККТФНХ и если на основании обследований и расчетов имеется уверенность, что при дальнейшей эксплуатации этих конструкций трещины не возникнут. Если такой уверенности нет, то конструкции допускаются к дальнейшей эксплуатации при условии усиления ненадежных узлов, а если таковых не обнаружено, то при условии регулярного или периодического контроля состояния конструкций.

7.3.3. Конструкции из кипящей стали, удовлетворяющей требованиям действующего СНиП [2] по ударной вязкости, регламентированным для конструкций данного типа, и требованиям ГОСТ 380-71* по химическому составу для стали Ст3кп, при отсутствии ККТФНХ могут быть допущены к эксплуатации, в том числе при отрицательных температурах до минус 40°C, без усиления при условии положительных результатов длительной предшествующей эксплуатации в условиях действия расчетной низкой температуры и удовлетворительного технического состояния конструкций.

7.3.4. Конструкции из кипящей стали, удовлетворяющей по химическому составу требованиям ГОСТ 380-71* для стали Ст3кп, но ударная вязкость которой ниже норм, регламентированных СНиП для данной конструкции, могут быть допущены к дальнейшей эксплуатации без усиления и каких-либо ограничений только при положительных температурах. Для возможности эксплуатации при отрицательных температурах такие конструкции должны быть усилены в местах расположения обнаруженных ККТФНХ, причем объем этих усилений в части охвата форм низкой хладостойкости должен определяться исходя из расчетной низкой температуры.

При отсутствии в обследованных конструкциях ККТФНХ эксплуатация при отрицательных температурах может быть допущена при соответствующем обосновании, выполненном на основании результатов обследований.

7.3.5. Конструкции, изготовленные из кипящей стали, содержащей углерод, серу и фосфор выше норм, предусмотренных ГОСТ 380-71* для стали Ст3кп, как правило, должны быть заменены. Однако при длительном (20 лет и более) сроке их эксплуатации и удовлетворительном состоянии дальнейшая их эксплуатация без усиления может быть допущена как временная при условии обеспечения их регулярных осмотров и при обязательном дальнейшем их усилении или демонтаже. Допустимость усиления этих конструкций определяется значением превышения содержания указанных компонентов над их нормативными значениями, техническим состоянием конструкций, наличием и опасным характером обнаруженных ККТФНХ, коррозионным износом узлов и элементов, а также коррозионным поражением отдельных участков ККТФНХ, опасных с точки зрения появления хрупких разрушений и пр.

7.3.6. Обоснование возможности эксплуатации обследованных конструкций из кипящей стали при низких температурах выполняется с учетом технического состояния конструкций, наличия и степени опасности ККТФНХ, коррозионного, поражения характерных мест ККТФНХ, фактических температурных условий эксплуатации за весь предшествующий период, времени года ввода сооружения в эксплуатацию (нагружение основными нагрузками), а также с учетом результатов поверочных расчетов на хрупкую прочность (см. приложение 2).

 

8. УСТРАНЕНИЕ ДЕФЕКТОВ И УСИЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ. МЕРОПРИЯТИЯ

ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ И ОБРУШЕНИЯ ЭСТАКАД

 

8.1. Устранение дефектов

8.1.1. При разработке конкретных способов устранения дефектов, усиления и мероприятий по предупреждению хрупких разрушений и обрушения эстакад следует иметь в виду, что основные и наиболее опасные дефекты, могущие привести к возникновение хрупких разрушений, связаны со свойствами стали, ее химическим составом, структурой и теми местными технологическими нарушениями, которые произошли в стали в процессе изготовления, транспортировки, хранения, монтажа и эксплуатации конструкций и которые являются, как правило неустраняемыми. Не устранимы также дефекты сварки при их значительном объеме.

Появление трещины в основном снимает конструктивно-технологический концентратор напряжений, заменяя его новым концентратором в виде трещины. Однако конструктивно-технологические мероприятия против развития трещин известны и довольно хорошо апробированы - это засверловка концов трещин. Поэтому своевременное обнаружение трещины в эксплуатируемых конструкциях при их регулярных осмотрах и периодически проводимых обследованиях позволяет своевременно приостановить дальнейшее развитие трещин и обеспечить нормальную эксплуатацию конструкций.

Все мероприятия по предупреждению хрупких разрушений должны быть обоснованы данными физических способов контроля качества сварки стыковых швов (за исключением явно дефектных мест, оцениваемых визуально).

8.1.2. Все работы по устранению дефектов и ремонту конструкций путем их усиления против хрупких разрушений должны выполняться при условии их максимальной разгрузки (отсутствие снега, остановленные конвейеры и пр.), в основном при положительных температурах (см. п. 7.2.1), а также с учетом требований [25]. В некоторых случаях целесообразно применение дополнительных временных опор.

8.1.3. Устранению на действующей конструкции поддаются следующие дефекты, могущие вызвать хрупкие разрушения:

- некоторые концентраторы напряжений путем механической зачистки мест их проявления (рис. 9, а) для создания плавности перехода галтелей (например, на кромках полок в стыковых соединениях нижних поясов ферм и балок - при выполнении этих соединений без выводных планок, а следовательно, со значительными дефектами); при температуре эксплуатации конструкций до минус 40°C допустимо выполнение галтелей ручной газовой резкой;

- технологические дефекты, образовавшиеся при резке листовой стали на гильотине без последующей обработки (обрезки) фрезой, газовой горелкой и другими способами, устраняющими дефекты гильотинной резки кромок листовых деталей. Способ устранения такого дефекта с помощью ручной газовой резки при достаточной ширине выступов для обрезки приведен на рис. 9, б;

- дефекты, связанные с применением поперечных фасонок и других элементов, приваренных к нижним поясам и опорным растянутым раскосам, с помощью ручной газовой резки их под основание с последующей зачисткой наплавленного металла сварных швов механическим способом до полного устранения всех дефектов и, желательно, следов сварки;

- дефекты в виде конструктивной трещины типа стыков нижних поясов выполненных на накладках с касанием или близким расположением торцов стыкуемых деталей, путем выборки наплавленного металла на участке длиной 100 мм (по 50 мм с каждой стороны стыка) механическим способом (рис. 9, в).

8.1.4. Частичному устранению поддаются следующие дефекты, могущие привести к хрупкому разрушению:

- пересечение сварных швов в стыковых соединениях растянутых элементов (нижних поясов, опорных раскосов и пр.), усиленных с помощью накладок, с фланговыми швами путем выборки наплавленного металла флангового шва на участке пересечения его со стыковым швом (по 50 мм с каждой стороны стыка), как показано на рис. 9, в, что не исключает возможности хрупкого разрушения стыкового шва, но предохраняет от одновременного хрупкого разрушения накладки;

- примыкание приопорного ребра жесткости к опорной плите опорного узла балки при больших размерах приопорного ребра путем ручной газовой резки приопорного ребра под размер опорной плиты с последующей механической зачисткой до устранения дефектов сварки в месте изменения формы ребра;

- примыкание укороченных ребер жесткости к стенке балки, выполненное без скосов и со сваркой до конца ребер, путем создания с помощью ручной газовой резки скосов в нижних торцах ребер; эффективно и другое мероприятие: просверливание отверстия у места окончания сварного шва крепления укороченного ребра.

 

 

Рис. 9. Способы устранения некоторых дефектов, могущих привести к возникновению хрупких разрушений:

а - устранение непровара в конце стыкового шва, выполненного без выводных планок;

б - устранение повреждений, образовавшихся при гильотинной резке кромок; в - устранение трещиноподобного дефекта в заводском стыке, выполненном с помощью накладки;

1 - вид дефекта до его устранения; 2 - устранение дефекта механической обработкой;

3 - гильотинная резка кромок; 4 - ручная газовая резка на готовой конструкции; 5 - дефект в заводском стыке; 6 - устранение дефекта путем выборки наплавленного металла

 

8.2. Усиление конструкций

8.2.1. Усиление (ремонт) узловых сопряжений при появлении трещин и других повреждений в узловых фасонках рекомендуется выполнять с помощью двух дополнительных фасонок меньшей толщины (рис. 10). При этом в фасонках заранее по шаблону механическим путем выполняются прорези под свободные полки раскосов. На монтаже каждая фасонка заводится в свое проектное положение сбоку (одевается своими прорезями на свободные полки) и приваривается к поясу и раскосам снаружи.

Частичное усиление узловых фасонок может быть выполнено в соответствии с рис. 11 при расположении усиливающих уголков на одном раскосе или на обоих, но с разных сторон фасонки.

8.2.2. Надежное усиление стыков растянутых поясов и раскосов, выполненных с помощью накладок, может быть достигнуто путем установки дополнительных накладок, целиком перекрывающих дефектные стыки, как показано на рис. 12.

С целью снижения напряжений в существующей конструкции элемент усиления рекомендуется до усиления нагреть до 80-100°С.

8.2.3. При большом количестве разнообразных дефектов по длине нижнего пояса, опасных с точки зрения хрупкого разрушения, рекомендуется комбинированный способ усиления всего нижнего пояса в сочетании с вышеуказанными способами устранения отдельных дефектов (см. пп. 8.1.3 и 8.2.2): параллельно существующему поясу из двух уголков внутри последних располагают дополнительные уголки с присоединением их к существующим с соблюдением действующих норм [2], как показано на рис. 13.

 

 

Рис. 10. Способ усиления узлового сопряжения пролетной фермы при хрупком разрушении узловой фасонки между поясом и раскосами (ККТФНХ I-A):

1 - пояс; 2 - раскос; 3 - существующая узловая фасонка; 4 - дополнительные узловые фасонки; 5 - прорези в дополнительной фасонке

 

 

Рис. 11. Способ усиления узлового сопряжения пролетной фермы при местном хрупком разрушении узловой фасонки между поясом и раскосом 2, а также при недостаточной длине сварных швов прикрепления раскоса 2:

1 - пояс; 2-3 - раскосы; 4 - узловая фасонка; 5 - деталь усиления

 

 

Рис. 12. Усиление заводских и монтажных стыков растянутых элементов путем постановки накладок повышенной длины:

а - стык до усиления; б - стык после усиления;

1 - пояс; 2 - существующая накладка; 3 - стыковой шов или трещиноподобный дефект;

4 - дополнительная накладка увеличенной длины; 5 - выравнивающая прокладка

 

 

Рис. 13. Способ усиления нижнего пояса при большом количестве дефектов по его длине в виде стыковых швов усиливающей пластины и пересекающих их фланговых швов:

а - до усиления; б - после усиления;

1 - уголок усиления; 2 - невидимый сварной стыковой шов

 

 

Рис. 14. Изменения расчетной схемы опирания пролетных конструкций в приопорной зоне:

а - путем создания дополнительных подкосов; б - путем создания капителей;

1 - элемент усиления

 

8.3. Мероприятия по предотвращению опасности хрупких разрушений и предупреждению аварий

8.3.1. Плановые обследования осуществляются с целью оценки действительного технического состояния конструкций и возможности возникновения хрупких разрушений с выполнением рекомендаций по устранению отдельных дефектов, могущих привести к хрупкому разрушению.

8.3.2. Изменение расчетной схемы пролетных конструкций путем создания неразрезности пролетных строений (рис. 14) или дополнительных опор выполняется с таким расчетом, чтобы при хрупком разрушении узлов с низкой хладостойкостью, установленных в процессе обследования, произошло нужное перераспределение усилий в элементах конструкции.

Перераспределение усилий возможно и целесообразно обеспечить также в процессе изменения расчетной схемы. В этом случае можно снизить напряженное состояние в узлах с пониженной хладостойкостью и соответственно уменьшить вероятность хрупкого разрушения.

Общее усиление пролетных строений можно выполнять с помощью преднапряженной шпренгельной системы.

8.3.3. Регулярный контроль за состоянием конструкций путем плановых и внеочередных (в зимнее время) осмотров осуществляется с целью своевременного обнаружения опасных с точки зрения обрушения конструкций хрупких трещин и принятия эффективных мер по предотвращению их аварийного развития.

 

9. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ

 

9.1. При выполнении работ по обследованию несущих металлоконструкций эстакад топливоподач следует руководствоваться СНиП III-4-80 "Техника безопасности в строительстве" [35], местными инструкциями и правилами по технике безопасности.

9.2. Работы по обследованию металлоконструкций эстакад топливоподач выполняются, как правило, не менее чем двумя специалистами, прошедшими специальное медицинское освидетельствование и имеющими допуск к работам на высоте (при верховых обследованиях).

9.3. Обследование выполняется с земли, прилегающих конструкций при условии безопасного подъема (наличие лестниц, перил, ограждений) и автовышки.

9.4. При работах на высоте более 1,5 м обязательно применение монтажных поясов с соблюдением правил их эксплуатации и испытаний.

9.5. Работы по обследованию металлоконструкций разрешается выполнять во всех случаях только в защитных касках.

9.6. Инструменты, приборы и приспособления при выполнении обследований должны размещаться в сумке, перекинутой через плечо.

9.7. Выполнять верховые обследования при температуре минус 20°С и ниже, атмосферных осадках, грозе и скорости ветра более 6 м/с не разрешается.

 

 

Приложение 1

Справочное

 

ПРИЧИНЫ, ВИДЫ И АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ХРУПКИХ

РАЗРУШЕНИЙ СТАЛИ И ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

Склонность стали к хрупкому разрушению

 

Хрупкое разрушение стали и элементов стальных конструкций независимо от марки стали и способа ее раскисления возможно при сочетании ряда факторов, препятствующих свободному протеканию пластических деформаций в местах конструктивных и технологических дефектов. Важнейшим из этих факторов является концентрация напряжений и другие особенности напряженного состояния (объемный характер в сочетании с неравномерным распределением напряжения); это ведет к локальному повышению сопротивления стали пластическим деформациям и снижению сопротивления стали хрупким разрушениям. Не менее важным фактором является низкая температура, тормозящая в силу физических причин развитие пластических деформаций во всем объеме металла.

Влияние этих факторов усугубляется особенностями процесса технологической обработки металлоконструкций при их изготовлении, что, как правило, сопровождается пластическими деформациями, приводящими к наклепу стали, ее последующему старению, а в итоге частичному исчерпанию исходной пластичности стали. Исчерпание пластичности может оказаться настолько большим, что при наличии концентрации напряжений и незначительном снижении температуры возможно разрушение конструкции при средних растягивающих напряжениях, значительно меньших предела текучести. При этом особенно опасно частичное исчерпание пластичности при местных термопластических деформациях, происходящих в местах стеснения деформаций расширения металла при его технологическом нагреве (сварка или правка с нагревом). Это приводит к наклепу и интенсивному местному старению стали.

Старению стали также способствуют:

- механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение);

- температурные колебания, приводящие к физико-химическому старению; так, даже незначительным нагревом (до 150-200°С) можно резко усилить процесс старения.

Значительное снижение пластичности наблюдается из-за гильотинной резки стали, создающей локальную пластическую деформацию, а также острые концентраторы напряжений в виде микротрещин и надрывов, которые неизбежно возникают при этом способе обработки стали.

Частичное исчерпание пластичности стали в сечениях с концентрацией напряжений в сочетании с низкой температурой может привести к тому, что при силовом воздействии на конструктивный элемент в опасном сечении не произойдет выравнивания напряжений и станет возможным хрупкое разрушение при средних напряжениях, приближающихся к уровню рабочих напряжений от эксплуатационных нагрузок. В этих случаях опасными становятся собственные и другие остаточные напряжения, суммирующиеся с рабочими напряжениями.

Для конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей среди многочисленных факторов хрупкого разрушения их элементов влияние низких температур оказывается настолько существенным, что сопротивление хрупкому разрушению отождествляется с понятием хладостойкости элементов конструкций. Фактическая хладостойкость элементов конструкций, выполненных из малоуглеродистой стали, в зависимости от степени ее раскисления иллюстрируется статистическими данными отказов в работе конструкций с конструктивно-технологическими дефектами (рис. 15).

Как видно из данных, полученных на основании анализа отказов, хрупкое разрушение конструкций из кипящей стали может наступить при температуре 0°С, а конструкций из спокойной стали - при температуре минус 10°С. Этим температурам соответствует примерно 3% из разрушенных конструкций, выполненных из сталей той и другой марок. Примерно 50% из всех разрушенных конструкций соответствует наинизшая температура минус 22°С - для кипящей стали и минус 30°С - для спокойной стали. Далее разница между максимальной хладостойкостью конструкций из спокойной и кипящей стали, по данным отказов в работе, имеет тенденцию к уменьшению. Таким образом, анализ данных отказов показывает, что при наличии в конструкциях конструктивно-технологических дефектов хладостойкость конструкций, выполненных из спокойной стали, превышает аналогичный показатель конструкций, выполненных из кипящих сталей, примерно на 10°С.

Значительный интерес для продолжения этого анализа представляет сопоставление диапазонов критических температур по ударной вязкости* для сталей разных степеней раскисления (рис. 15, б). Как видно из этих данных, минимальный и максимальный разрывы между интервалами критических температур для спокойной и кипящей стали составляют соответственно 0 и 30°С, что рекомендуется использовать при назначении приближенных значений первых критических температур для конструкций из кипящей стали. С учетом результатов, полученных из рис. 15, а, а также в связи с необходимостью иметь определенный запас хладостойкости (порядка 10°С) при назначении нижней границы диапазона первой критической температуры для конструкций из кипящей стали рекомендуется принимать ее на 10°С выше, чем для конструкций из спокойной стали.

_____________

* За критическую температуру по ударной вязкости принимается температура, при которой ударная вязкость ниже нормативной (3,0 кгс×м/см²).

 

На основании данных рис. 15, б установлены значения поправок для границ диапазона первых критических температур для конструкций из полуспокойной стали соответственно в 5 и 15°С по отношению к первой критической температуре для конструкций из спокойной стали.

Основной причиной снижения хладостойкости кипящей стали и конструкций из нее является повышенное содержание кислорода и резкая неоднородность в распределении углерода, серы и фосфора. Это приводит в готовом прокате в некоторых зонах к местному содержанию углерода до 0,3-0,4% и серы до 0,15%, что значительно превышает предусмотренный стандартом средний уровень. По сечению готового проката примеси также распределены неравномерно: центральные слои обогащены ими, наружные бедны. Неоднородность химического состава проката кипящей стали сопровождается также неоднородностью механических свойств.

Другой основной причиной низкой хладостойкости кипящей стали является грубая структура проката, наличие продуктов промежуточного распада, крупное зерно и т.п. Вследствие этого кипящая сталь характеризуется пониженными показателями прочности и сопротивляемости хрупкому разрушению, особенно в прокате толщиной 20 мм и более.

Особенно ярко проявление склонности кипящей стали к хрупким разрушениям может быть показано зависимостями ударной вязкости от температуры (рис. 16), когда при определенной отрицательной температуре наблюдается резкое снижение значения ударной вязкости (так называемый порог хладноломкости). Следует отметить, что аналогичные зависимости для полуспокойной и спокойной стали имеют более плавный характер.

 

Виды разрушений стали

 

Основные виды разрушений стали при силовом воздействии в зависимости от температуры приведены на рис. 17.

При температуре +20°С разрушение растянутых стальных стержней сопровождается значительными пластическими деформациями и происходит при средних напряжениях, близких к временному сопротивлению. Поверхность излома при этом, как правило, ориентируется под углом 45° к линии действия главных растягивающих напряжений и имеет матовый волокнистый вид. В месте излома образуется утонение (сужение) элемента. Такой вид разрушения (излома) называется вязким.

Когда развитие пластических деформаций тормозится теми или иными причинами, характер разрушения стальных элементов меняется. Поверхность излома при этом ориентирована перпендикулярно линии действия максимальных растягивающих напряжений, на его поверхности появляется характерный кристаллический блеск, а сужение в изломе резко уменьшается. Кроме того, на поверхности излома обычно заметен характерный рисунок, получивший название шевронного узора. На рис. 18 схематически показан характер такого узора, напоминающего "елочку". Следует отметить, что при наличии шевронного узора можно с высокой степенью достоверности определить очаг зарождения разрушения, который всегда совпадает с вершиной "елочки", что весьма важно при обследовании частично или полностью разрушившихся конструкций, так как часто позволяет установить причину или источник разрушения. Такое разрушение элемента конструкции называется квазихрупким и сочетает в себе признаки хрупкого (без пластических деформаций) и вязкого разрушений. Средние разрушающие напряжения при квазихрупком разрушении находятся в диапазоне между пределом текучести и временным сопротивлением стали.

 

 

Рис. 15. Зависимость чиста отказов в работе металлоконструкций с конструктивно-технологическими дефектами, выполненных из малоуглеродистой стали, от температуры эксплуатации и степени раскисления стали (а) и интервалы критических температур по ударной вязкости для сталей с различной степенью раскисления (б):

1 - конструкции и образцы из кипящей стали; 2 - конструкции и образцы из спокойной стали; 3 - образцы из полуспокойной стали; m - отношение чиста отказов при температуре, превышающей значений t к общему числу отказов

 

 

Рис. 16. Принципиальные зависимости ударной вязкости малоуглеродистой кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп) стали от температуры

 

Переход от вязких разрушений к квазихрупким характеризуется первой критической температурой t_кр1, которая определяется по характеру излома и соответствует 50% доли вязкой составляющей на поверхности излома (см. рис. 17 и 18).

Первая критическая температура для стали Ст3 находится в пределах плюс 10 - минус 40°С.

Хрупкое разрушение элементов стальных конструкций характеризуется отсутствием макропластической деформации и кристаллическим видом излома при низком уровне напряжений (0,1-0,8 предела текучести). При этом шевронный узор практически не обнаруживается. Разрушение происходит при значительном уменьшении пластических деформаций. Однако следует отметить, что хрупкое разрушение невозможно без предшествующих пластических деформаций. Основная опасность квазихрупких и хрупких разрушений элементов конструкций заключается, во-первых, в их внезапности и, во-вторых, в возможности их зарождения и развития при не столь больших напряжениях и возникающих при действии нагрузок нормальной эксплуатации.

Переход от квазихрупких разрушений к хрупким характеризуется второй критической температурой t_кр2, при которой разрушающее напряжение достигает предела текучести (см. рис. 17) при температуре +20°С.

 

 

Рис. 17. Изменение параметров прочности элементов стальных конструкций с изменением температуры:

t_кр1 и t_кр2 - первая и вторая критические температуры; ;  и  - пределы текучести, временное сопротивление стали и разрушающие напряжения; s_т - предел текучести стали при температуре +20°С

 

 

Рис. 18. Характерный для квазихрупкого разрушения шевронный узор:

1 - очаг зарождения трещины квазихрупкого разрушения; 2 - участок с хрупким разрушением; 3 - участок с вязким разрушением; 4 - сварной шов

 

Вторая критическая температура для стали Ст3 находится в пределах минус 20 - минус 100°С.

Физический процесс хрупкого разрушения стали в элементах конструкций имеет три стадии:

I - локальная пластическая деформация в зоне концентрации напряжений при силовых или температурных воздействиях на конструкцию, подготавливающая образование трещины;

II - зарождение микротрещины;

III - развитие трещины по всему сечению элемента.

Первые две стадии обычно рассматриваются как стадия зарождения трещины. Характерно, что условия зарождения трещины хрупкого разрушения и ее развития принципиально различны. Образование трещины не всегда сопровождается ее развитием на все сечение элементов. Поэтому сопротивление элемента хрупкому разрушению различно на II и III стадиях.

Наиболее опасным случаем хрупкого разрушения является такой, когда стадия зарождения трещины перерастает непосредственно в стадию ее развития. Такие случаи обычно приводят к внезапным катастрофическим обрушениям конструкций и являются с точки зрения натурных обследований непредотвратимыми.

Появление трещины, являющейся предельно острым концентратором напряжения, практически полностью устраняет влияние конструктивной формы на хладостойкость, так как сопротивление элемента распространению трещины определяется свойствами стали, масштабом элемента и самой конструкции и зависит от уровня потенциальной энергии упругой деформации, накопленной в системе под нагрузкой.

 

Критерии хрупкого разрушения

 

В настоящее время количественная оценка критериев хрупкого разрушения элементов стальных конструкций опирается как минимум на одну из двух существующих теорий:

- классическую, в основу которой положен критерий перехода стали из вязкого состояния в хрупкое, т.е. критерии зарождения трещины;

- энергетическую, в основу которой положены критерии развития имеющейся трещины.

В основу данных Рекомендаций положены результаты, полученные при использовании обеих теорий. Сочетание этих двух теорий в практической деятельности (при эксплуатации и обследовании металлоконструкций, подверженных воздействию естественных температур) породило следующий практический подход к вопросу хрупкого разрушения, в соответствии с которым рассматриваются две стадии работы конструкций:

- до зарождения трещин;

- после появления трещин и до их критического развития.

Из практики эксплуатации стальных конструкций известны случаи безотказной работы при наличии и даже развитии трещин, в том числе при постоянном действии вибрационных нагрузок.

Согласно настоящим Рекомендациям, техническое состояние конструкций считается исправным, когда трещины в металле отсутствуют.

Однако трещина после зарождения не обязательно тут же развивается на всю длину. Более того, она может стабилизироваться, а затем снова при неблагоприятных условиях продолжать развиваться. Поэтому обнаружение зародившейся трещины является важнейшей задачей обследования конструкций.

 

Некоторые статистические результаты эксплуатации стержневых металлоконструкций

 

Анализ отказов в работе стальных конструкций с хрупким и квазихрупким разрушением их элементов свидетельствует о влиянии длительности эксплуатации конструкций на вероятность зарождения и развития хрупких трещин. Так, 50% всех отказов в работе происходит в первую зиму эксплуатации, 14% во вторую, 8% в третью зиму и т.д. До 80% всех отказов происходит за первые пять лет эксплуатации (рис. 19). Следует отметить, что с увеличением длительности эксплуатации отказы происходят при более низких температурах (см. рис. 19) и при более высоком уровне номинальных разрушающих напряжений.

Таким образом, в стальных сварных конструкциях, усилия в элементах которых не изменяются по знаку, происходит приспособляемость к воздействию низких температур, в результате чего их фактическая хладостойкость оказывается выше.

 

 

Рис. 19. Зависимость относительного числа отказов в работе (а) и температур, соответствующих хрупкому разрушению (б), от длительности эксплуатации; n - отношение числа отказов за данный год к общему числу отказов

 

Специальными исследованиями установлены физические причины приспособляемости конструкций в условиях их статического нагружения. Приспособляемость активно проявляется в конструкциях, не испытывающих малоцикловых и многоцикловых нагружений.

К физическим причинам, обусловливающим приспособляемость конструкции, относятся:

- развитие пластических деформаций в зонах концентрации напряжений, сглаживающее уровень концентрации напряжений (такие пластические деформации возникают под воздействием эксплуатационной нагрузки в теплое время года);

- снижение уровня остаточных растягивающих напряжений в зонах концентрации напряжений.

Установлено, что если конструкция введена в эксплуатацию в теплое время года, то ее приспособляемость идет весьма активно. Этим частично объясняется установленный факт повышенной аварийности конструкции с хрупким разрушением их элементов, введенных в эксплуатацию зимой.

Таким образом, при оценке эксплуатационной надежности конструкций необходимо учитывать фактическую длительность безотказной эксплуатации конструкций и отсутствие хрупких трещин и разрушений их элементов, установленное обследованиями.

 

 

Приложение 2

 

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ХЛАДОСТОЙКОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФОРМ

 

Проверка прочности элементов стальных конструкций с учетом хрупкого разрушения при воздействии низких температур выполняется в соответствии со СНиП II-23-81 [2].

Применительно к приведенным на рис. 3-6 ККТФНХ прочность элементов, выполненных из спокойной малоуглеродистой стали, может быть оценена по методике Новосибирского инженерно-строительного института, приведенной ниже.

При выполнении конструкций из кипящей стали, ввиду значительной неопределенности ее механических характеристик в части работы при низких температурах, рекомендуется оценивать прочность ККТФНХ на краях диапазона возможного разброса первой критической температуры, который определяется по значениям ударной вязкости и по результатам анализа отказов в работе (см. приложение 1).

Прочность ККТФНХ, выявленных в соответствии с рекомендациями разд. 4, оценивается следующим образом:

- устанавливается принадлежность конкретной конструктивной формы к формам, приведенным на рис. 2-6;

- устанавливается расчетная наружная температура эксплуатации t_э в соответствии со СНиП 2.01.01-82 [24] как средняя температура наиболее холодной пятидневки;

- в зависимости от характерного параметра - толщины элемента d - по графику на рис. 20 определяется первая критическая температура t_кр1 для данной КТФНХ и сравнивается с расчетной температурой эксплуатации t_э:

при t_э ³ t_кр1 хладостойкость рассматриваемой конструктивной формы считается обеспеченной и дальнейшая проверка не производится;

при t_э < t_кр1 рассматриваемая конструктивная форма требует специальной проверки на хрупкую прочность.

Соответствующие критические температуры  эксплуатации узлов и конструкций, выполненных из сталей других степеней раскисления, могут быть определены приближенно по формуле:

 = t_кр1 + Dt,                                                               (2)

где t_кр1 - первая критическая температура КТФНХ конструкции, выполненной из спокойной стали;

Dt - приближенная поправка к первой критической температуре для конструкций из полуспокойной и кипящей стали; для полуспокойной стали принимается в виде диапазона с нижней границей, равной 5°С и верхней - 15°С, а для кипящей - в виде диапазона с нижней границей 10°С и верхней - 30°С.

 

 

Рис. 20. Зависимость первой критической температуры t_кр1 от толщины d проката для характерных элементов конструктивно-технологических форм низкой хладостойкости, приведенных на рис. 2:

1 - дефекты типа Б1; 2 - дефекты типов B1, Д1, Д3; 3 - дефекты типа Г1; 4 - дефекты типов A1, А2, Б2, Б3, Д2, Д4; 5 - дефекты типов Д1, Д3; 6 - дефекты типов A1, A2, Б1, Б2, Б3, В1, Д2, Д4

 

Примечание. Позиции 1, 2, 3, 4 - для стали Ст3сп; 5 и 6 - для стали 09Г2С.

 

Прочность узлов и элементов при t_э <  может быть проверена по формуле

                                                                  (3)

где s_m - теоретические напряжения от фактической нагрузки, установленной в процессе обследования;

R_u - расчетное сопротивление стали растяжению по временному сопротивлению;

g_u - коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность по временному сопротивлению, равный 1,3;

b - коэффициент снижения расчетного сопротивления при снижении эксплуатационной температуры ниже первой критической температуры, определяемый в соответствии с табл. 84 СНиП II-23-81 [2] или по формуле

                                                               (4)

где е - натуральное число;

y - коэффициент температурной зависимости, равный 0,005°C^-1 для стали марки ВСт3кп; 0,0044°C^-1 для стали марки ВСт3сп; 0,0028°С^-1 для стали марки 09Г2С.

Для отдельных КТФНХ при выполнении конструкций из кипящей стали диапазон изменения первой критической температуры и соответствующие ему значения коэффициентов b могут быть определены по данным рис. 21.

Надежность конструкций из кипящей стали, эксплуатируемых при отрицательных температурах, не обеспечена и теоретически в большинстве случаев не может быть обоснована. Поэтому при проверке прочности по формуле (3) следует ожидать в основном такой результат: при нижней границе температурного диапазона (см. рис. 21) прочность элементов обеспечена, а при верхней - не обеспечена. Это означает, что конструкция, выполненная из кипящей стали, работает в ненадежной области. Возможность дальнейшей ее эксплуатации в этих условиях может быть обоснована результатами обследования (состояние конструкций, отсутствие трещин в характерных местах ККТФНХ, фактические свойства и химический состав стали и пр.).

 

КТФНХ по рис. 2	Толщина d, мм	Нижняя граница диапазона tкр1, °C	Коэффициент b в формуле (3)
А	8	-29
	12	-21
	16	-13
	20	-5
Б	8	-31
	12	-19
	16	-7
	20	5
В	8	-14
	12	-6
	16	2
	20	10
Г1	8	-35
Г2	12	-25
	16	-15
	20	-10
Г1	8	-20
Г2	12	-5
вблизи сварки	16	+5
	20	+15
Д3	8	-10
	12	+5
	16	+20
	20	+30
Д4	8	-45
	12	-22
	16	0
	20	+15

 

Рис. 21. Зависимость нижней границы диапазона первой критической температуры от толщины характерного элемента конструктивно-технологических форм низкой хладостойкости, приведенных на рис. 2, и коэффициента b от температуры эксплуатации конструкций, выполненных из кипящей стали

 

При соблюдении условий формулы (3) на верхней границе температурного диапазона прочность конструкций, выполненной из кипящей стали, считается обеспеченной.

Несоблюдение условий формулы (3) на обеих границах температурного диапазона означает, что конструкция, выполненная из кипящей стали, работает в области, где никакими факторами, выявленными в процессе обследования, в том числе и возможностью приспособляемости конструкции в процессе ее работы при положительных температурах, не может быть обоснована ее надежность и возможность ее дальнейшей эксплуатации. Такие конструкции должны быть демонтированы.

Рекомендуется дополнительно выполнять также проверку прочности КТФНХ обследуемых конструкций при средней температуре наиболее холодных суток и при абсолютной минимальной температуре.

При определении значения расчетного коэффициента b следует иметь в виду возможность возникновения хрупкого разрушения, т.е. когда t_эк = t_кр2 (см. рис. 17), чему соответствует равенство разрушающего напряжения () пределу текучести стали при температуре +20°С (s_т). Этому состоянию соответствует допустимое значение коэффициента b, равное отношению R_y/R_u, где R_y - расчетное сопротивление стали растяжению (изгибу) по пределу текучести. Для малоуглеродистой стали допустимое значение b равно 0,615, а с учетом некоторого дополнительного запаса значение расчетного коэффициента b не должно быть меньше 0,65.

 

 

 

 

 

Приложение 3

Справочное

 

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИБОРОВ И МАТЕРИАЛОВ, НЕОБХОДИМЫХ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ЭСТАКАД ТОПЛИВОПОДАЧ

 

Наименование	Документ на поставку	Назначение	Количество, шт.
Индикаторный глубиномер (см. рис. 8)	ГОСТ 7661-67	Измерение глубины коррозионных язв	1
Шаблоны для оценки катета шва (см. рис. 7)	Индивидуальное изготовление	Определение размера катета шва с точностью до 1 мм	2
Бинокль 7-кратного увеличения	-	Осмотр конструкций с земли и недоступных для непосредственного осмотра	1
Лупа 7-кратного увеличения	ГОСТ 7594-75	Поиск трещин	1
Штангенциркуль на диапазон 0-300 мм	ГОСТ 166-80	Измерение профилей стали	1
Рулетка металлическая Р-5	ГОСТ 7502-60	Измерение размеров эстакады	1
Линейка измерительная металлическая или желобчатая рулетка (1-2 м)	ГОСТ 427-75	Измерение элементов и узлов	1
Шабер торцевой	-	Зачистка поверхности измерений	1
Шкурка шлифовальная	ГОСТ 6456-62	То же	0,1 м2
Щетка металлическая	ГОСТ 5009-62	-"-	1
Проволока стальная диаметром 1 мм	ГОСТ 2333-80	Измерение прогибов элементов каркаса	15 м
Струбцины	Индивидуального изготовления	То же	2
Легкоиспаряющаяся жидкость (бензин, эфир, ацетон)	-	Обнаружение трещин	0,5 л

 

 

Список использованной литературы

 

1. РУКОВОДСТВО по обследованию сварных стальных конструкций, выполненных из кипящей углеродистой стали, и разработке мероприятий, предупреждающих их хрупкое разрушение. - М.: ЦНИИПроектстальконструкция. Госстрой СССР, 1979.

2. СНиП II-23-81. Нормы проектирования. Стальные конструкции.

3. ПОВЫШЕНИЕ надежности эстакад топливоподачи на тепловых электростанциях (Обзор). - М.: Информэнерго, ОРГРЭС, 1972.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ указания по обследованию строительных конструкций производственных зданий и сооружений тепловых электростанций. Ч. 2. Металлические конструкции. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1981.

5. СБОРНИК директивных материалов по эксплуатации энергосистем. Теплотехническая часть. Изд. 2-е перераб. и дополн. Разд. 9, стр. 302, - М.: Энергоиздат, 1981.

6. СИЛЬВЕСТРОВ А.В., БЕСПАЛОВ В.М. О количественной оценке хладостойкости стальных конструкций. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1975, № 5.

7. СИЛЬВЕСТРОВ А.В. Проблема повышения надежности стальных конструкций, подверженных воздействию низких температур. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1960, № 7.

8. СИЛЬВЕСТРОВ А.В., ШАГИМАРДАНОВ В.М. Хрупкое разрушение стальных конструкций и пути его предотвращения. - Проблемы прочности. 1972, № 5.

9. ЖЕМЧУЖНИКОВ Г.В., ПАВЛОВ В.В. Некоторые характерные случаи хрупких разрушений сварных конструкций. - Проблемы прочности, 1973, № 8.

10. СИЛЬВЕСТРОВ А.В., НАДЕЛЯЕВ В.Д. Исследование прочности элементов стальных конструкций при низких температурах после их предварительного нагружения. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1963, № 10.

11. ТЕМНИКОВ В.Г., ШАГИМАРДАНОВ P.M. Статические закономерности хрупких разрушений стальных ферм и приемы совершенствования их конструкций. - Известия вузов. Строительство и архитектура. 1975, № 9.

12. СИЛЬВЕСТРОВ А.В. О влиянии толщины на возникновение объемного напряженного состояния в зоне повышенной концентрации напряжений - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1974, № 11.

13. СИЛЬВЕСТРОВ А.В., НАДЕЛЯЕВ В.Д. О влиянии местных пластических деформаций в зоне концентрации напряжений на хладостойкость малоуглеродистой стали. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1969, № 5.

14. СИЛЬВЕСТРОВ А.В., ЕРОХИН К.А. Исследование влияния предыстории нагружения на хладостойкость сварных соединений в стык. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1980, № 2.

15. БЕЛЯЕВ Б.Ф., МАХУТОВ Н.А., ВИНКЛЕР О.Н. Характеристики хрупкого разрушения в связи с конструктивными формами. - Проблемы прочности, 1971, № 4.

16. ДЕЙНИК В.А., ГИРЕНКО B.C. Повышение сопротивляемости стали хрупкому разрушению при предварительном нагружении. - Проблемы прочности, 1971, № 12.

17. СИЛЬВЕСТРОВ А.В., ШАФРАЙ С.Д., ЧИБРЯКОВ Г.Г. Расчетная оценка прочности элементов стальных конструкций в температурном интервале квазихрупкого их разрушения в условиях плоской деформации. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1983, № 6.

18. СИЛЬВЕСТРОВ А.В. Пути повышения надежности стальных конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1970. № 11.

19. ИССЛЕДОВАНИЕ хрупкой прочности строительных металлических конструкций. Труды ЦНИИПроектстальконструкции под ред. Н.П. Мельникова. - М.: ЦНИИПроектстальконструкция. Госстрой СССР, 1982.

20. Руководство по расчету стальных конструкций на хрупкую прочность. - М.: ЦНИИПроектстальконструкция. Госстроя СССР, 1983.

21. ПРОЧНОСТЬ стали для металлических конструкций. - В кн.: Сборник трудов ЦНИИСК им. Кучеренко. Под ред. П.И. Соколовского. - М.: Стройиздат, 1974.

22. ВИНКЛЕР О.Н. Исследование механических свойств и хрупкой прочности малоуглеродистых строительных сталей - В кн.: Сборник трудов ЦНИИПроектстальконструкции. Под ред. H.П. Мельникова. Вып. 12. - М.: Стройиздат, 1967.

23. МЕЩЕРИНОВ Г.Л. Исследование хрупкой прочности элементов сварных стержневых конструкций при низких температурах. - В кн.: Сборник трудов ЦНИИПроектстальконструкции. Под ред. Н.П. Мельникова. Вып. 15. - М.: Стройиздат, 1970.

24. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика.

25. РУКОВОДСТВО по усилению элементов конструкций с применением сварки. - М.: ЦНИИПроектстальконструкция. Госстрой СССР, 1979.

26. КИКИН А.И., ВАСИЛЬЕВ А.А., КОШУТИН Б.Н., УВАРОВ Б.Ю., ВОЛЬБЕРГ Ю.Я. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий. - М.: Стройиздат, 1984.

27. ОСТ 4125. Сталь прокатная углеродистая. Классификация.

28. ОСТ НКТП 2897. Сталь прокатная углеродистая обыкновенного качества. Классификация и общие технические требования.

29. ГОСТ 380-41. Сталь углеродистая горячекатаная обыкновенного качества. Классификация и общие технические требования.

30. ГОСТ 380-50. Сталь углеродистая горячекатаная обыкновенного качества. Классификация и общие технические требования.

31. ГОСТ 380-60. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки и общие технические требования.

32. ГОСТ 380-71*. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки и общие технические требования.

33. СНиП III-18-75. Правила производства и приемки работ. Металлические конструкции.

34. МАРОЧНИК стали и сплавов. Под ред. И.Р. КРЯНИНА и др. - М.: ЦНИИТМАШ, 1971.

35. СНиП III-4-80. Техника безопасности в строительстве.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Общие положения

2. Особенности конструктивных решений и условий эксплуатации эстакад

3. Особенности работы и обследования металлоконструкций, выполненных из кипящей стали и находящихся в длительной эксплуатации

4. Конструктивно-технологические формы низкой хладостойкости пролетных конструкций эстакад

5. Основные этапы и порядок работ по обследованию эстакад топливоподач

6. Методика обследования несущих металлоконструкций эстакад топливоподач

6.1. Подбор и изучение технической документации

6.2. Дополнительный анализ металла и оценка его качества. Анализ продуктов коррозии

6.3. Натурные обследования состояния сварных металлоконструкций и их фундаментов

6.4. Обработка результатов обследования

7. Заключение о техническом состоянии конструкций и возможности их дальнейшей эксплуатации

7.1. Возможные решения по результатам обследования

7.2. Заключение при наличии трещин

7.3. Заключение при отсутствии трещин

8. Устранение дефектов и усиление конструкций. Мероприятия по предупреждению хрупкого разрушения и обрушения эстакад

8.1. Устранение дефектов

8.2. Усиление конструкций

8.3. Мероприятия по предотвращению опасности хрупких разрушений и предупреждению аварий

9. Основные требования по технике безопасности при обследовании

Приложение 1. Причины, виды и анализ статистических данных хрупких разрушений стали и элементов стальных конструкций

Приложение 2. Методика оценки хладостойкости отдельных конструктивно-технологических форм

Приложение 3. Перечень приборов и материалов, необходимых при обследовании металлоконструкций эстакад топливоподач

Список использованной литературы