Классификация арматуры

          Стержневая горячекатаная арматура в зависимости от ее основных механических характеристик подразделяется на шесть классов с условным обозначением: A-I, А-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI. Термическому упрочнению   подвергают   стержневую   арматуру   четырех классов, упрочнение в ее обозначении отмечается дополнительным индексом «т»: Ат-Ш, Ат-IV, AT-V, AT-VI. Дополнительной буквой С указывается на возможность стыкования сваркой, К — на повышенную коррозионную стойкость.

Каждому классу арматуры    соответствуют   определенные марки арматурной стали с одинаковыми механическими характеристиками, но различным химическим составам. В обозначении марки стали отражается содержание углерода и легирующих добавок. Например, в марке 25Г2С первая цифра обозначает содержание углерода в сотых долях процента (0,25 %), буква Г —что сталь легирована марганцем, цифра 2 — что его содержание может достигать 2%, а буква С — наличие в стали кремния (силиция). Наличие других химических элементов, например, в марках 20ХГ2Ц, 23Х2Г2Т, обозначается буквами: X — хром, Т — титан, Ц — цирконий.

Периодический профиль имеет стержневая арматура всех классов, за исключением круглой (гладкой) арматуры класса A-I.

Физический предел текучести — 230...400 МПа имеет арматура классов A-I, A-II, A-III, условный предел текучести – 600... 1000 МПа имеет высоколегированная арматура классов A-IV, A-V, A-VI и термически упрочненная арматура.

Относительное удлинение после разрыва зависит от класса арматуры. Значительным удлинением обладает арматура классов A-II, A-III (δ = 14...19 %), сравнительно небольшим удлинением — арматура классов A-IV, A-V, A-VI и термически упрочненная всех классов

Контрольные вопросы

1. Основное требования к строительным сталям.

2. Приведите и расшифруйте марки строительных углеродистых сталей обыкновенного качества.

3. Какие применяют марки сталей для строительных конструкций: мостов, газо- и нефтепроводов, котлов, нефтепроводов?

4. По каким признакам разделяют арматуру?

5. Как классифицируют арматурную сталь и в чём их отличие?

5.4 Судостроительные материалы

На рис.5.10 показаны несколько судов для которых используют судостроительные материалы.

Рис.5.10 Суда для обустройства месторождений континентального шельфа России

Самый распространённый материал – судостроительная сталь. К ней предъявляются весьма жесткие требования: прочность, пластичность, высокая технологичность, свариваемость, стоимость, приспособленность для ремонта и др. Стали, применяемые в отечественном судостроении, отличаются высокой хладостойкостью, хорошей свариваемостью, а также повышенной трещиностойкостью. Для новых марок стали специально разработаны хладостойкие сварочные материалы.

В последнее время идет работа над созданием нового класса высокопрочных устойчивых к коррозии сталей, легированных азотом. Благодаря различию взаимодействия атомов углерода и азота с атомами железа, у стали появляются уникальные физико-химические и эксплуатационные свойства (высокая прочность, пластичность, абсолютная коррозионная стойкость, немагнитность). Азотистые стали обладают хорошей свариваемостью и технологичностью, как в металлургическом, так и судостроительном производстве.

Каждая поставляемая на судостроительный и судоремонтный заводы партия материала обязательно сопровождается документом — сертификатом, в котором указаны все его качества; в лабораториях заводов материал проходит химические, механические и технологические испытания.

При назначении марок материала для изготовления какого-либо судового изделия (деталей корпусов, механизмов, оборудования) руководствуются действующими правилами Регистра, Государственными стандартами (ГОСТ), отраслевыми нормалями (ОСТ), в которых изложены основные требования, предъявляемые к изделиям в условиях эксплуатации судов.

Основным материалом для постройки и ремонта судов служит углеродистая сталь, а для ряда морских и смешанного плавания («река — море») судов — низколегированные стали, обладающие повышенной прочностью и облегчающие массу корпуса. При изготовлении и ремонте корпусных конструкций судов используют только стали по ГОСТ 5521-93. Судостроительные стали в зависимости от их основных характеристик и назначения изготовляют следующих марок:

углеродистая — С, ВМСтЗсп (по ГОСТ 380—2005);

низколегированная — 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д, 10ХСНД (по ГОСТ 5521-93). Помимо стали ВМСтЗсп, металлургические заводы поставляют стали марок: ВМСтЗсп, ВМСтЗсп, ВМСтЗсп, ВМСтЗсп, ВКСтЗки (ГОСТ 380—2005).

Судостроительная сталь должна: обладать некоторой устойчивостью против коррозии (в воде и на воздухе); выдерживать обработку в горячем и холодном состояниях; хорошо свариваться дуговой сваркой; выдерживать загиб на 180° в холодном состоянии по оправке.

Углеродистые стали отличаются малым содержанием углерода (0,14—0,22%), серы и фосфора (не более 0,05% каждого). Сера придает металлу красноломкость, а фосфор — хладноломкость. При красноломкости металл трескается и ломается в нагретом состоянии; хладноломкость — способность металла снижать вязкость при пониженных температурах. Низколегированные стали (вышеперечисленных марок) отличаются низким содержанием углерода (не более 0,12%); в стали добавляют легирующие элементы: кремний, марганец, хром, никель, медь.

Сталь (в соответствии с ГОСТ 5521—93) поставляют в виде листового и профильного проката; различают: толстолистовую сталь (толщина листов 4—56 мм); тонколистовую сталь (толщина листов 0,9—3,9 мм), фасонную (или профильную): равнобокий угольник, неравнобокий угольник, швеллер (корытный профиль), двутавр (рис.5.11), углобульб, полособульб, (рис 5.12) симметричный полособульб, люковый сегментный (полукруглый), круглые профили.

Для разъяснения: обычный уголок можно сделать гораздо жёстче, если на его свободной стороне отформовать бульб. Профиль такого типа широко используют в судостроении. В сущности, это то же ребро жесткости коробчатого сечения с заполнителем, установленное на стойке или тонкой стенке.

Для получения углобульба сначала формуют обычный уголок и дают ему отвердеть. Одного слоя будет достаточно, поскольку на этой стадии он должен лишь поддерживать бульб.

Затем берут полиэтиленовую трубку, режут ее вдоль по одной стороне и надевают на торец свободной полки уголка, чтобы получился бульб. Далее формуют углобульб поверх трубки, продолжая наслоение вниз по обеим плоскостям полки и формуя фланцы с двух сторон, если это возможно. Бульб как рабочая часть профиля может быть значительно толще полки.

Рис.5.11 Листовая сталь и профильный прокат: швеллер, двутавр, уголок

Рис.5. 12 Формы: углобульб, полособульб, полособульб сдвоенный

В судостроении применяют и другие стали с особыми физическими или физико-механическими свойствами: ковкие стали — для изготовления мелких деталей, углеродистые и легированные — для судовых поковок, нержавеющие стали. Последние обладают высокой коррозионной устойчивостью, хорошо свариваются; из них изготовляют крылья для судов на подводных крыльях, облицовки гребных валов, лопатки турбин и др.; однако имеют повышенную стоимость, поэтому применение их ограниченное.

Условия работы судостроительных сталей и сталей для буровых платформ.

 В середине прошлого века основным материалом для постройки корпусов судов служили главным образом углеродистые стали с пределом текучести не более Ϭ_0,2 = 230—270 МПа и относительным удлинением δ = 12 – 22 %, что отображено в ГОСТ 5521-50. К 1980-м гг. прочностные характеристики корпусных сталей существенно возросли, составив Ϭ_0,2 = 350-450 МПа при относительном удлинении 19-22 %. Рост прочности был обусловлен использованием низколегированных сталей.

 Для деталей механизмов судов (валы, баллеры) применяли более легированные стали с пределом текучести до 500-750 МПа.

 Резкое увеличение водоизмещения судов способствовало росту требований к качеству судостроительных корпусных материалов, что обусловило не только повышение прочностных свойств стали, но и использование таких новых технологических процессов, как микролегирование, обработка жидкой стали модификаторами (РЗМ, Са, Ва), внепечное вакуумирование, контролируемая прокатка и спреерное охлаждение в потоке стана.

 Понятие "судостроительная сталь" также претерпело существенные изменения. В это понятие в настоящее время входят не только металлы для корпусов надводных судов, но и стали для подводных кораблей, батискафов, работающих на больших глубинах, морских буровых платформ и прибрежных сооружений, эксплуатируемых при низких температурах.

 Особенно остро стоит задача по освоению огромных газоконденсатных и нефтяных запасов Шток Мановского, Приразломного и других месторождений Баренцева моря, Ленского, Пильтун-Астохского залежей Северного Сахалина. Освоение этих месторождений отличается уникальной сложностью, не имеющей аналогов в мировой практике. Прежде всего это низкотемпературные условия эксплуатации (до минус 40-50 °С), сложная ледовая обстановка и глубоководное (до 360 м) расположение буровых платформ и газопроводов высокого давления.

 Не менее сложной проблемой является строительство ледовых морских буровых платформ. Масса сварных металлоконструкций каждой платформы составит 40-50 тыс. т. Металлоконструкции будут находиться в сложных условиях эксплуатации, испытывая динамические воздействия от ветро-волновых нагрузок, низкие температуры, гигантские давления от контакта с ледовыми полями с соответствующим высоким уровнем износа металла.

Опыт эксплуатации атомных ледоколов и судов ледового плавания показал, что только за одну навигацию износ обшивки ледокола может достигать 20-30 % (10-15 см).

Для ледовых буровых платформ необходимо использовать особопрочные хладостойкие стали с Ϭ_в > 800 МПа и надежные сварочные материалы. 

Создание высокопрочных надежных судостроительных сталей требует использования новых критериев оценки качества металла, разработки новейших технологических процессов производства стали и сварочных материалов. Необходимо применение методов глубокой очистки стали от вредных примесей и неметаллических включений, специальной термопластической обработки с прокатного нагрева и др.

 Для оценки качества металла применяют более строгие критерии: определение ударной вязкости при низких температурах, определение волокнистой составляющей в изломе, испытание на изгиб широких образцов и др.

 Марки и сортамент в соответствии с ГОСТ 5521-93 в России стальной прокат для судостроения изготавливают из сталей нормальной прочности и повышенной прочности.

 Стали нормальной прочности по классификации Регистра и Международной ассоциации классификационных обществ (МАКО) обозначаются марками А, В, D и Е и имеют минимальный предел текучести 235 МПа. Стали повышенной прочности выпускаются следующих марок: А275, D275, Е275

(Ϭ _0,2 > 265 МПа); А32, D32, Е32 (Ϭ _0,2 > 315 МПа); А36, D36, Е36 (Ϭ _0,2 > 355 МПа); А40, D40, Е40 (Ϭ _0,2 > 390 МПа).

Область применения сталей нормальной и повышенной прочности - корпуса судов всех типов и назначений, а также корпусные конструкции плавающих буровых установок и других морских сооружений, постоянно эксплуатируемых в нормальных климатических условиях. Не рекомендуется применять эти стали для изготовления наиболее нагруженных (специальных) сварных конструкций (III категория по правилам Регистра), арктических судов и буровых платформ, когда расчетная температура ниже -30^о… -40 °С. Под расчетной температурой понимают минимальную среднесуточную температуру воздуха за 5 лет эксплуатации.

 Для наиболее ответственных конструкций, используемых в арктических условиях, применяют специальные хладостойкие стали (повышенной прочности) 10ГНБ-СШ (10ГНБ-Ш), 10ХНДМ-СШ (10ХНДМ-Ш) с минимальным Ϭ _0,2 = 355 – 390 МПа. Эти стали отвечают требованиям правил Регистра для категорий F36, E40S, F40Z, E40SZ. Для специальных и основных несущих конструкций плавающих буровых установок и морских сооружений арктического назначения, а также ледового пояса атомных ледоколов применяют высокопрочные хладостойкие стали 12ХН2МД и 12ХНМД-ІП с Ϭ _0,2 = 490 МПа, 12ХНЗМДФ-Ш с Ϭ _0,2 = 590 МПа и 12ХН4МДБ-Ш с Ϭ _0,2 = 690 МПа.

 Сварные конструкции из этих хладостойких сталей эксплуатируют при температуре до -30^о – -40°С (стали открытых методов выплавки) и при температурах до -50^о – -60°С (стали электрошлакового переплава). Они пригодны для резервуаров хранения и транспортировки сжиженных газов класса LPG (пропан-бутан). Для резервуаров хранения и транспортировки сжиженных природных газов класса LNG (- 150 °С) применяют хладостойкие стали 0Н9-СШ и 0Н9-Ш.

 Недостатком никелевых сталей является низкий предел текучести металла сварного шва, вследствие чего расчетное сопротивление для сварного соединения принимается в 1,5 – 2 раза ниже, чем для основного металла.

 Химический состав, виды обработки листового проката и механические свойства судостроительных сталей, предназначенных для постройки судов, изготовляемых согласно требованиям Регистра, приведены в табл.1, 2,

Таблица 1

Основные технические требования к судостроительным сталям. Если раньше в судостроении применялась клепка, то в связи с повсеместным переходом к сварке корпусных деталей основным требованием к судостроительным сталям является свариваемость. Для судокорпусных работ (правка, гибка, штамповка) стали должны обладать достаточной пластичностью. Судостроительная сталь при сварке не должна давать различного рода сварочных дефектов – пор, шлаковых включений, горячих и холодных трещин, а свойства сварного соединения (металла шва и зоны термического влияния) не должны существенно отличаться от свойств основного металла. Поэтому корпусные стали, используемые в судостроении, не должны содержать более 0,2 % углерода.

 Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Влияние легирующих элементов на свариваемость может быть различным в низколегированных и высоколегированных сталях. Особый интерес для судостроительных корпусных конструкций имеют низкоуглеродистые легированные стали.

 Согласно ГОСТ 27772-88 углеродный эквивалент (СЕ) определяют по формуле: 

 Свариваемость корпусных сталей считается удовлетворительной, если СЕ < 0,3 – 0,5. 

Таблица 2

Применяются различные способы сварки: электродуговая сварка покрытыми электродами, полуавтоматическая и автоматическая сварка в среде защитных газов и под флюсом. В ряде случаев используют электроннолучевую сварку судостроительных сталей.

Основным документом являются "Правила Морского Регистра" и "Правила Речного Регистра". Помимо стального проката они включают еще стальные поковки, трубы, литье черных и цветных металлов, стали для тросов и цепей, пластмассы, клеящие вещества. Правила Регистров регламентируют порядок, объемы и способы испытаний судостроительных материалов. Правила по классификации и строительству сведены в следующие зарубежные документы: Lloyd's Register of Shipping (LR) - Великобритания; Germa-nischer Lloyd (GL) - Германия; Register Italiana Novile (RINA) -Италия; Norske Veritas (DNV) - Норвегия; American Bureau of Shipping (ABS) - CIIIA.

 Следует отметить, что правила классификации и постройки морских судов, регламентируемые Регистром России, достаточно близки тем, что включены в правила LR, GL, ABS.

 По назначению различают следующие судостроительные стали: корпусные; для гребных винтов; для судовых валов и балле ров рулей; для изготовления якорей, якорных цепей и арматуры.

 Судостроительные стали производятся в виде тонколистового (0,9-3,9 мм) и толстолистового проката толщиной 4 – 130 мм, широкополосного, полосового и фасонного проката, поковок и отливок.

 Сопротивляемость хрупким разрушениям обычно оценивается уровнем работы удара или ударной вязкости, а также видом излома образцов или специально взятых проб натурной толщины с определением соотношения вязкой и хрупкой составляющих. Также обязательно производится определение критической температуры хрупкости Т₅₀, т. е. температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние (порог хладноломкости).

Важным фактором надежности корпусных конструкций судов и морских сооружений является сопротивление усталости.

Остаточные сварочные напряжения способны ускорять скорость роста усталостной трещины до 5 раз.

Агрессивное влияние морской воды способствует снижению усталостной прочности в 1,5 – 2 раза.

Необходимым условием надежности толстолистовых судостроительных сталей является предотвращение слоистых ("ламеллярных") разрушений в листах и сварных соединениях (рис.5.12). При таком разрушении трещина распространяется параллельно плоскости листа вдоль скоплений неметаллических включений (рис.5.13). Образуется плоский излом с уступами при переходе с одного уровня на другой.

Рис.5.12 Слоистые разрушения в листах и в сварных соединениях

Рис.5.13 Неметаллические включения в листовых сталях

Технология производства судостроительных стаей. Судостроительные стали относят к категории высококачественных.

 Технология производства судостроительных сталей включает сложный комплекс современных методов выплавки стали и регулирования мелкозернистой структуры.

 Для производства высококачественной стали используют продувку аргоном, вакуумирование, обработку жидкой стали силикокальцием, редкоземельными металлами. Для уменьшения опасности слоистых разрушений в узлах сварных конструкций сталь дополнительно обрабатывают синтетическими шлаками. Особо высокое качество стали достигается применением электрошлакового переплава.

Формированию мелкозернистой структуры способствует микролегирование карбонитридообразующими элементами V, Nb, Ті.

 Наряду с содержанием специально вводимых легирующих, большое влияние на вязкость оказывает чистота стали по вредным примесям. Уменьшение содержания серы приводит к росту значений ударной вязкости, а каждые 0,01 % Р смещают порог хладноломкости в среднем на 10 °С.

 Вследствие ярко выраженной зависимости вязкости от размера зерна условия прокатки также оказывают воздействие на порог хладноломкости.

 С уменьшением конечной температуры прокатки и увеличением степени обжатия в нижней температурной области при рекристаллизации возникают меньшие по величине зерна аустенита. Следствием этого является более мелкое ферритное зерно при фазовом превращении во время охлаждения. Путем прокатки при пониженных температурах можно изготавливать листы с высокими вязкими свойствами в горячекатаном состоянии. Мелкозернистая структура прокатки положительно сказывается на последующей термообработке и улучшает вязкость в нормализованном состоянии. Дальнейшее улучшение свойств достигается благодаря ускоренному охлаждению (закалке) после аустенитизации с последующим отпуском. Это улучшение особенно эффективно, когда сталь, содержащая достаточно легирующих, претерпевает превращение при охлаждении в области мартенсита или нижнего бейнита и затем подвергается отпуску для получения требуемой вязкости.  Виды обработки листового проката приведены в табл.3.

Стали нормальной и повышенной прочности. Технические условия на стальной прокат для судостроения приведены в ГОСТ 5521-93. Стандарт распространяется на толстолистовой, широкополосный, универсальный, полосовой и фасонный прокат из стали нормальной и повышенной прочности для судостроения.

В судостроении широко применяются литейные высокопрочные конструкционные стали для изготовления отливок сложной конфигурации. Для крупных корпусных литых деталей типа кронштейнов, гребных винтов, рулей и др. используются стали марок 08ГДНФЛ и 08Г2ДНФЛ, а для высоконагруженных соединительных элементов опорных колонн морских буровых установок, деталей механизма поворота плавучих кранов и литых крупнотоннажных крюков (грузоподъемностью свыше 800 т – высокопрочные хладостойкие сваривающиеся стали марок АБ-1Л и АБ-ЗЛ. Механические свойства сталей для отливок приведены табл. 4.

Таблица 3

   Таблица 4

Все стали обладают хорошей технологичностью при литье и сварке. Учитывая, что корпусные детали имеют сложную конфигурацию, значительные массу и размеры, их зачастую изготавливают в литосварном исполнении, применяя ручную и полуавтоматическую сварку без последующей термообработки или электрошлаковую сварку с последующей местной термообработкой района шва. Уровень механических свойств сварных соединений для всех сталей аналогичен уровню механических свойств основного металла.

 Для тяжелонагруженных гребных винтов ледоколов и ледокольно-транспортных судов ЦНИИ "Прометей" созданы высокопрочные коррозионностойкие стали: мартенситного класса марки 08X14НДЛ и переходного аустенитно-мартенситного класса марки 08Х15Н4ДМЛ, механические свойства которых приведены в табл. 5.

 Разработанная технология позволяет изготавливать лопасти и ступицы сборных гребных винтов диаметром до 605 мм с толщиной корневых сечений лопасти до 400 мм и массой до 30 – 50 т.

Таблица 5