книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин
..pdfнесколько выше температуры воздуха в момент разруше ния. Аварийное разрушение возникло как продолжение трещин, имевшихся в конструкции раньше. По-видимому, при достаточно высокой температуре эти трещины не проявляли склонности к внезапному хрупкому продолже нию, но, как только температура достигла некоторого опасного для дайной конструкции предела, они распро странились на все сечение. Вероятность такого предполо жения подтверждается тем, что разрушение моста прои зошло в первую зиму его эксплуатации.
Из табл. 5, где приведены случаи наиболее крупных разрушений стационарных конструкций, наблюдавшихся в Европе и Америке с 1886 по 1952 гг., видно, что подав ляющее большинство разрушений произошло при низких температурах.
Хрупкие разрушения свойственны не только сварным, но и клепаным конструкциям. Однако наиболее тяжелые повреждения при хрупком разрушении элементов полу чают сварные конструкции. Монолитность сварной кон струкции приводит к тому, что зародившаяся и начавшая распространяться в одном элементе трещина свободно переходит на сопряженные элементы и распространяется на все сечение изделия. Кроме того, в сварных конструк циях больше мест вероятного зарождения трещин и могут сохраняться значительные остаточные напряжения от сварки, способствующие в определенных условиях рас пространению трещин.
Ряд поучительных случаев хрупкого разрушения строи тельных конструкций имел место в восточных и северных районах СССР.
Осенью 1960 г. при температуре не ниже —19° С про изошло внезапное хрупкое разрушение несущих ферм транспортной галереи металлургического завода [178]. Началом разрушения, по-видимому, послужил хрупкий разрыв нижнего пояса фермы. В день аварии температура воздуха за 6 ч понизилась почти на 7° С. Максимальная скорость ветра была 8 м/сек. Конструкция не несла какихлибо нагрузок, не предусмотренных проектом. Главной причиной аварии было применение в конструкции кипя щей стали марки Ст.Зкп. Контрольные анализы металла от разрушившейся конструкции на содержание углерода, проведенные на 180 пробах, показали, что более половины исследованного металла имело завышенное содержание
31
Случаи разрушения крупных конструкций [196]
Вид конструкции |
Место и время |
|
разрушения |
||
|
Вертикальная труба Газгольдер Вертикальная труба
Резервуар для патоки Резервуар для нефти
Мост со сквозными фермами
Балочный мост со сплошными фермами
Мост со сквозными фермами
Нью-Йорк, 1886 То же, 1898 Мэн, США, 1904
Бостон, США, 1919 Оклахома, США, 1925 Средний Запад, США,
1929 То же, 1933
»1933
»1933
»1934
»1934
»1935
»1937
Хассельт, Бельгия, 1937
Берлин, 1938
Рудерсдорф, 1938
Бельгия, 1940
Тип кон |
Продолжи |
струк |
|
ции (С— |
тельность |
сварная, |
эксплуата |
К — кле |
ции в годах |
паная) |
|
К |
Испытание |
к |
Испытание |
к |
7 |
к |
3 |
к |
— |
к |
13 |
к |
13 |
к |
10 |
к |
10 |
к |
— |
к |
— |
к |
— |
к |
14 |
с |
1 |
с0,5
сНовый
сНедостроен
ный
с3
с5
|
Таблица 5 |
Температура |
П редположнтельное |
в °С или |
|
период года |
начало разрушения |
Октябрь |
_ |
Декабрь |
— |
Ноябрь |
Трещина в заклепоч |
Январь |
ном отверстии |
|
|
- 2 0 |
— |
Ниже 0 |
— |
—20 |
Трещина в заклепоч |
—28 |
ном отверстии |
|
|
—30 |
— |
Зима |
Приваренная заплата |
—30 |
— |
Январь |
Угловая трещина |
—25 |
Приваренная заплата |
Март |
— |
_ |
|
—Угловой сварной шов
Январь Январь —
Продолжение табл. 5
Вид конструкции |
Место и время |
разрушения |
Резервуар |
для |
водо |
Нью-Йорк, 1943 |
|
|||
рода |
|
для |
|
ам |
То же, 1943 |
|
|
Резервуар |
|
|
|||||
миака |
газовых резер- |
Огайо, США, 1944 |
|||||
Два |
|||||||
Сферический |
сосуд |
Виргиния, США, 1944 |
|||||
высокого давления |
|
СССР, 1947 |
|
||||
Пять резервуаров для |
|
||||||
Резервуар |
для нефти |
Средний запад, США, |
|||||
14 мостов |
|
|
|
1947 |
1947—1950 |
||
трубопро |
Бельгия, |
||||||
Напорный |
Айдахо, |
США, |
1950 |
||||
вод |
|
мост |
со |
Квебек, Канада, 1951 |
|||
Балочный |
|||||||
сплошными фермами |
Нормандия, 1951 |
|
|||||
Резервуар для |
нефти |
|
|||||
Резервуар |
для |
|
воды |
Ныо-Мехико, 1951 |
|||
Стальная труба |
|
|
Чикаго, |
1951 |
1952 |
||
Резервуар для нефти |
Фолей, Англия, |
||||||
Три |
резервуара |
для |
Европа, |
1952 |
|
||
нефти |
|
|
|
|
|
|
|
Тип кон |
Продолжи |
|
|
|
|
струк |
Температура |
Предположительное |
|||
ции (С — |
тельность |
||||
сварная, |
эксплуата |
в °С или |
начало разрушения |
||
К — кле |
ции в годах |
период года |
|
|
|
паная) |
|
|
|
|
|
С |
1 |
— 12 |
Смотровой люк |
||
С |
Испытание |
Март |
Пористость |
свароч |
|
С |
3 |
10 |
ного шва |
|
|
Во многих местах |
|||||
С |
Испытание |
—2 |
Места |
соединения |
|
С |
3 - 6 |
—44 |
секций |
|
|
Различные |
|
||||
С |
3 |
— 17 |
Угол очистного люка |
||
с |
— |
— |
— |
|
|
с |
Испытание |
5 - |
Ремонтный шов |
||
с |
3 |
—33 |
Угловые |
|
стыковые |
с |
— |
Зима |
соединения |
|
|
Сварной шов |
|||||
с |
2 |
Декабрь |
Плохое проплавление |
||
с |
10 |
— 11 |
— |
|
|
с |
Испытание |
—2 |
Заделанное место вы |
||
с |
Новые |
—4 |
резки пробы |
|
|
Дефектный шов |
углерода, достигавшее 0,38%. Около трети проб было не допустимо загрязнено серой, содержание которой в отдель ных листах доходило до 0,1%. Ударная вязкость листов толщиной 30 и 32 мм существенно снижалась уже при
температуре 0° С, |
а при |
—8° С достигала |
значения |
1,2 кГм/см2. |
|
|
|
Несколько зим наблюдались разрушения опорных ба |
|||
лок транспортных |
галерей |
на обогатительной |
фабрике. |
Прохождение трещины через поперечное сечение балки сопровождалось громким треском. Все разрушения про исходили около 8 ч, когда в данной местности наблю дается суточный минимум температуры. Разрушения воз никали при температуре около —30° С. Каких-либо кон структивных или технологических дефектов балки не имели. Изготовлены они были из малоуглеродистой стали, соответствующей по составу стали Ст.Зкп. При испытании на ударную вязкость хрупкость этого металла наступала в том же температурном интервале, в котором наблюда лись натурные разрушения. Такая же галерея на сосед ней обогатительной фабрике эксплуатируется безаварийно. Ее несущие конструкции изготовлены из углеродистой стали спокойной плавки.
В январе при 30-градусном морозе произошло обруше ние стропильных ферм перекрытия строящегося произ водственного здания. Кровля еще не была уложена и фермы нагружались только собственным весом. При падении на землю элементы ферм дополнительно раскалывались на несколько частей. Фермы изготовляли из малоуглероди стой строительной стали с содержанием фосфора, дости гавшим 0,1%. Металл аварийных ферм при испытании его на ударную вязкость переходил в хрупкое состояние при температурах от 20 до —5° G.
Аналогичное разрушение стропильных ферм строяще гося здания кузнечно-прессового цеха пролетом 21 м имело место в ноябре 1959 г. при температуре —39 ч— 43° С. Упали пять расположенных рядом ферм с почти закончен ным перекрытием. Основной причиной аварии было при менение для изготовления ферм кипящей стали Ст.Зкп.
В ноябре 1958 г. обрушилась ферма строящегося га ража, перекрывавшая пролет 52 м. Причиной разрушения был разрыв нижнего пояса. Авария произошла при тем пературе —34° С. Трасса трещины не была связана с ка кими-либо особенностями конструкции сварных соедине
34
ний. Нагрузка на ферму в момент разрушения — в рас четных пределах. Элементы фермы изготовляли из стали Ст.З с сильно заниженным (до 0,07%) содержанием крем ния, которую можно отнести к сталям полуспокойным. Часть исследованного металла имела ударную вязкость на уровне 0,8—0,9 кГм1см2 при температуре —20° С. При —35° С все испытанные образцы имели ударную вязкость ниже 1 кГм1см2. Авария этой фермы произошла при тем пературе немного ниже критической температуры хруп кости металла, определяемой по критерию ан = 3 кГм/см2.
При температуре воздуха —46° С в результате разрыва нижних поясов, изготовленных из швеллера № 26, раз рушились три стропильные фермы многоэтажного здания [88]. Швеллер был прокатан из кипящей малоуглероди стой стали, весьма склонной к хладноломкости. Ее удар ная вязкость снижалась до 1 кГм1см2 при температурах от —10 до —20° G. В стенках разрушившихся швеллеров имелись прорези, создававшие концентраторы напряже ний.
При температуре около —50° G одновременно в трех пунктах обрушилось девять опор железнодорожной кон тактной сети [88]. Поводом аварии явились вибрации сети при прохождении поезда. Разрушению подверглись опоры, сваренные из прокатанных уголков и швеллеров из стали Ст.0иСт.4, а также из штампованных уголков сталиСт.Зкп. Исследование металла разрушившихся элементов пока зало, что резкое падение ударной вязкости для стали Ст.О наблюдалось при температурах от —10 до —20° С, а для сталей Ст.Зкп и Ст.4 — при температурах от —30 до
-4 0 ° С.
Вноябре месяце на одном из предприятий Новосибир ской области при сборке на монтажной площадке сварных стропильных ферм пролетом 36 м обнаружили разрушения нескольких узловых фасонок, изготовленных из стали Ст.З [88]. Основной причиной самопроизвольного разру шения фасонок было неудачное расположение элементов решетки. Зазор между концами этих элементов и поясом фермы не превышал 15—20 мм. Это привело к возникно вению высоких остаточных напряжений между близко расположенными швами в полосе взаимного наложения
зон термического влияния сварки.
Распространенным видом зимних разрушений металли ческих конструкций являются разрывы резервуаров для
3* |
35 |
хранения горючего. В табл. 6 приведено распределение случаев появления трещин в резервуарах по месяцам года, которое свидетельствует о том, что частота их разрушений имеет определенную связь с температурой воздуха.
Распределение частоты появления трещин в резервуарах по месяцам года [2]
Смарта |
посен тябрь |
Октябрь |
Ноябрь |
Месяц |
|
|
|
|
|
Таблица 6 |
Декабрь |
Январь |
Февраль |
Частота |
появления |
0 |
3,3 |
13,7 24,0 32,7 26,3 |
трещин в % |
................. |
Хрупкие трещины в резервуарах чаще всего появляются либо непосредственно в сварных швах, либо в основном металле вблизи от скоплений сварных швов. Появление трещин в самих швах всегда связано с наличием дефектов сварки, в основном непроваров в стыковых соединениях. Авторы работы [2] подчеркивают, что основным для повы шения работоспособности резервуаров при низких темпе ратурах является устранение конструктивных недостатков сварных соединений и предупреждение появления техноло гических дефектов сварки.
Разрушение резервуаров всегда начинается от места сопряжения стенки с днищем, так как здесь возникают дополнительные термические напряжения за счет разности температур опирающегося на грунт днища и обдуваемых воздухом стенок. Отмечается также, что в периоды пони жающейся температуры хрупкие трещины возникают обычно с наветренной стороны резервуара.
Несколько случаев разрушения резервуаров имело место в северо-восточных районах СССР.
В ноябре, когда температура воздуха понизилась до —54° С, на одной нефтебазе в течение трех дней разру шились три резервуара емкостью по 650 м3. Все разруше ния начинались в нижнем поясе и распространялись кверху. Резервуары были изготовлены из стали Ст.Зкп с содержанием углерода на верхнем пределе и невысоким содержанием марганца, колебавшимся от 0,44 до 0,47%. Такое сочетание содержаний углерода и марганца в мало
углеродистых сталях неблагоприятно отражается на их хладостойкости. Резервуары не имели каких-либо кон структивных недостатков или дефектов сварки, которые могли бы рассматриваться в качестве основной причины разрушения. Металл от аварийных конструкций на хладостойкость не испытывался, однако можно утверждать, что кипящая сталь такого состава при —50° С заведомо находилась в хрупком состоянии.
В табл. 5 приведены два случая разрушения нефтяных клепаных резервуаров, которые разрушились в результате применения сварки при ремонте: трещины начались от приваренной заплаты. Сходный с этими случай имел место в феврале 1953 г. на одной из нефтебаз на Северо-Востоке
СССР. Здесь при —37° С разрушился резервуар емкостью 2945 м3. Он был изготовлен клепаным из стали Ст.Зкп с весьма высоким содержанием азота, достигавшим 0,056%. Хрупкому разрушению резервуара при сравнительно не большом морозе способствовала особенность его конструк ции, возникшая в результате ремонта. При испытании резервуара в заклепочных швах обнаружились массовые неплотности. Было принято решение уплотнить эти швы. На все заклепочные швы изготовили накладки желобча той формы, которые приварили с двух сторон заклепочных швов. Места зарождения и пути прохождения трещин хрупкого разрушения не были определенно связаны с та кими необычными сварными соединениями, но наложение этих швов на готовую конструкцию не могло не повысить уровень остаточных напряжений в листах, что, по-види мому, и способствовало проявлению склонности стали к хладноломкости.
Явление хладноломкости хорошо известно и для свар ных трубопроводов. В табл. 7 приведена зависимость
Таблица 7
Распределение разрушений трубопроводов по месяцам [2]
Месяцы
Количество разрушений
в % .........................
Декабрь |
Январь |
Февраль |
Март |
Апрель — ноябрь |
10,5 28,3 27 15,5 18,7
37
частоты разрушения трубопроводов от времени года. Это распределение получено по данным шестилетней стати стики при эксплуатации трех трубопроводов. При этом больше половины всех разрушений приходится на две особенно суровые зимы.
Главной причиной разрушения трубопроводов при низ ких температурах является наличие непроваров в сварных стыках.
Сочетанием двух неблагоприятных факторов можно объяснить разрушение угловой опоры линии электропере-
АU -
Рис. 19. Сварка арматурных прутков, не обеспе чивающая хладостойкости
дачи, происшедшее в январе 1961 г. при температуре —50° С. Хрупкое разрушение этой конструкции прошло по стыковым швам сварных соединений стоек. Стойки были изготовлены из уголков и имели стыки, выполненные при помощи накладок, приваренных с внутренней стороны уголков фланговыми и лобовыми швами. Сам стык был обварен снаружи поверхностным некачественным швом без разделки. Больших остаточных напряжений в этом сече нии быть не могло. По-видимому, плохо заваренный стык сыграл роль концентратора напряжений. Не менее важной причиной этой аварии была очень низкая хладостойкость стали, ударная вязкость которой снижалась до 0,9— 1,3 кГм1см2 уже при —10° С.
В 1960—1961 гг. было расследовано несколько разру шений арматуры железобетонных балок, имевших место при температурах ниже —20° С.
Поломки балок происходили главным образом во время монтажа еще до приложения к ним основной проектной нагрузки. На рис. 19 схематически показан участок арма турной плети, на котором один из стержней имеет стык.
Стыкуемые концы стержней между собой не сварены. Разрушения обычно проходят точно через несваренный стык. Для компенсации ослабления сечения арматурной плети в зоне стыка иногда приваривается накладка из отрезка арматурного стержня, показанная на рис. 19 пунктиром. Наличие этой накладки не спасает от хруп кого разрушения. Несваренный стык играет роль концен тратора напряжений, дающего начало хрупкой трещине. В рассматриваемом узле неудачно расположены сварные швы, скрепляющие между собой параллельно располо женные стержни. Все эти швы сосредоточены в одном месте по длине плети. Таким образом, в одно сечение с концентратором напряжений попадают зоны термиче ского влияния всех стержней, что еще больше увеличивает склонность конструкции к хрупким разрушениям при низ ких температурах.
В табл. 8 дана сводка зимних хрупких разрушений деталей машин и строительных конструкций, имевших место за последние годы в восточных и северных районах
СССР. Большинство этих случаев хорошо иллюстрируют основные закономерности явления хладноломкости.
Таблица 8
Характерные разрушения деталей машин
истроительных конструкций, наблюдавшиеся в восточных
исеверных районах СССР
Наименование 'детали |
Температура |
Критическая |
Причина |
|||||
разруш ения |
температура |
|||||||
или |
конструкции |
|
разруш ения * |
|||||
|
|
|
|
|
в °С |
стали в °С |
|
|
|
|
|
|
|
Экскаваторы |
|
м |
|
Натяжные оси СЭ-3 |
Ниже —20 |
От —10 |
||||||
|
|
|
|
|
|
до —20 |
м + к |
|
Напорные оси СЭ-3 |
Ниже —15 |
От 0 |
||||||
Балки |
рукояти |
ковша |
Ниже —20 |
до —10 |
м + к |
|||
От 0 |
||||||||
СЭ-3 |
|
|
|
|
— |
до —20 |
к |
|
Стрелы Э-302 |
|
по |
— |
|||||
Вертикальный вал |
При всех |
Выше +20 |
м |
|||||
воротной |
колонки |
Э-153 |
температу |
|
|
|||
Зубчатый |
венец реверса |
рах |
Выше —20 |
м |
||||
- 3 8 |
||||||||
главной лебедки Э-651 |
Ниже —25 |
Выше —20 |
м |
|||||
Отливки |
пяты |
стрелы |
||||||
и концевая отливка |
руко |
|
|
|
||||
яти ковша СЭ-3 |
лебедки |
Зима |
Выше +20 |
м+ э |
||||
Вал |
главной |
|||||||
ОМ-202 |
|
|
|
|
|
|
|
39
Продолжение табл. 8
Наименование детали |
Температура |
Критическая |
||||
разрушения |
температура |
|||||
или |
конструкции |
|||||
в °С |
стали и °С |
|||||
|
|
|
|
Драги |
|
|
Понтоны |
|
|
От —20 |
От 0 |
||
|
|
|
|
до —40 |
ДО —50 |
|
Черпаковые рамы |
|
— 19, —26 |
— 10, —20 |
|||
Другие металлоконструк- |
От — Ю |
От 0 |
||||
дни |
|
|
|
до —40 |
до —30 |
|
|
|
|
|
Краны |
|
|
Мостовой 50 т. |
|
—30 |
Выше —30 |
|||
Козловый 5 т. |
|
—33 |
Около —40 |
|||
Козловый |
18 т. |
|
- 2 8 |
—20 |
||
Башенный СБК-1С |
— 19 |
От — 10 |
||||
|
|
|
|
|
до —30 |
|
|
|
Тракторы, бульдозеры и автомобили |
||||
Рама тележки трактора |
—25 |
—20 |
||||
С-80 с бульдозером Д-271 |
Зима |
+ 2 0 |
||||
Отвал бульдозера Д-271 |
||||||
Башмак |
гусеницы трак- |
- 3 5 |
—35 |
|||
тора С-80 |
|
|
|
- 3 5 |
Выше —35 |
|
Башмак гусеницы трак |
||||||
тора Т-140 |
винт |
отвала |
- 2 0 |
Выше —20 |
||
Резьбовой |
||||||
бульдозера Д-259А |
|
—20 |
—20 |
|||
Полуось |
автомобиля |
|||||
ЗИЛ-164 |
полуоси автомо |
—20 |
Выше + 2 0 |
|||
Труба |
||||||
биля ЗИЛ-164 |
|
Ниже —20 |
Около —25 |
|||
Лонжерон рамы автомо |
||||||
биля ЗИЛ-164 |
|
|
|
|||
|
|
|
Прочие конструкции |
|||
Тяговые |
хомуты |
авто |
Зима |
От — 10 |
||
сцепки подвижного |
соста |
|
до —40 |
|||
ва железных дорог |
|
—50 |
От 0 |
|||
Опора ЛЭП |
|
|||||
Балки |
галерей |
обога |
—30 |
до — 10 |
||
- 3 0 |
||||||
тительной |
фабрики |
строя |
От —30 |
От + 2 0 |
||
Стальные |
фермы |
|||||
щихся зданий |
|
до —40 |
до —20 |
|||
Арматура |
железобетон |
От —30 |
От — 10 |
|||
ных балок |
|
|
до —35 |
до —30 |
Причина
разрушения*
М
м
м + с
м + с + э
с
к+ с + м
м+ э
м+ к
м+ к + с
м
м
м
м
м+ к
м+ к
м
м+ с
м
м
к + м
* Условные обозначения: М — недостаточная хладостойкость металла; К — конструктивные концентраторы напряжений; С — концен траторы напряжений сварочного происхождения; Э — концентраторы напряжений, возникшие в эксплуатации.
40