Типові пошкодження сталевих конструкцій і способи ремонту: тріщини в металі, деформації, ослаблені з’єднання

З чого починають і чого не можна погіршувати

Ремонт починають із відомості дефектів і пошкоджень, складеної за результатами обстеження. Для кожного дефекту визначають, чи він небезпечний зараз і чи може розвинутися. Про категорії дефектів і про те, як діяти з дефектом категорії А, розказано в статті Оцінка технічного стану сталевих конструкцій.

Деякі вимоги діють при будь-якому ремонті. Ремонт не повинен погіршувати міцність і просторову жорсткість, тому не можна вилучати стрижні, змінюючи компонування. Перехід зусиль від основних елементів до підсилених має бути плавним. Підсилення чи заміна не повинні збільшувати ексцентриситет у вузлах. Можливість демонтажу елемента для заміни перевіряють розрахунком. Поверхні, що ремонтують, очищають від бруду, мастила й корозії.

Робочими кресленнями ремонту служать креслення КМД, а про усунення, підсилення чи заміну пошкоджених конструкцій вирішує розробник проєкту. Зварювання відповідальних елементів доручають зварникам із чинною атестацією. Метал для ремонту не поступається наявному за механічними властивостями, в’язкістю й зварюваністю; якщо марка невідома, її спершу визначають хімічним аналізом і випробуваннями (див. уточнення характеристик сталі).

Коли конструкцію не розвантажити, перед зварюванням перевіряють рівень початкового навантаження: відношення найбільшого напруження в момент ремонту до розрахункового опору елемента. Орієнтовні межі такі: до 0,2 для особливо важких умов (підкранові балки під крани важких режимів, елементи бункерних і розвантажувальних естакад), до 0,4 для елементів, що сприймають рухоме, динамічне чи вібраційне навантаження, до 0,8 для решти. Якщо межу перевищено, конструкцію спершу розвантажують або вживають заходів, що обмежують деформації, зокрема зварювальні.

На монтажі зварних конструкцій забороняють ударні дії: для сталей із межею плинності до 390 МПа нижче −25 °C, для сталей понад 390 МПа нижче 0 °C.

Огляд: пошкодження й типові способи

У таблиці зібрано те, що розібрано нижче: який спосіб ремонту типовий і де ремонт закінчується й починається заміна.

Тріщини в основному металі

Тріщина в основному металі належить до дефектів категорії А: вона може перейти в розрив. Тому її усувають у твердій послідовності.

1. Виявляють тріщину по всій довжині й знаходять її початок і кінець. Для цього змочують поверхню гасом, витирають насухо й покривають крейдою, або травлять, або застосовують магнітну дефектоскопію.

2. Обмежують тріщину по кінцях наскрізними отворами діаметром 5–8 мм. Центр свердління ставлять на відстані половини діаметра свердла від видимого кінця тріщини.

3. Готують кромки вздовж тріщини за вимогами стандартів до конструктивних елементів зварних швів. Обмежувальні отвори зенкують.

4. Зачищають прилеглу зону на 20–25 мм з обох боків і заварюють за кілька проходів, щоб не перегрівати основний метал. Обмежувальні отвори обов’язково заварюють.

5. Перевіряють повноту усунення: оглядом після травлення 10 %-ним розчином азотної кислоти, а за потреби кольоровою, люмінесцентною чи магнітною дефектоскопією.

Неповне заварювання, коли в елементі лишається ділянка з порушеною суцільністю, не допускається. Для тріщин, що не проходять наскрізь, у масивних деталях скіс кромок роблять на всю глибину тріщини й під час розробки канавки глибину контролюють свердлінням, а за потреби поверхневою дефектоскопією.

У жорсткому контурі, наприклад у замкненому вирізі, одна зі сторін якого менша за 60 товщин листа, потрібні заходи, що знижують зварювальні напруження, і зварювальні матеріали з високою пластичністю наплавленого металу. Якщо тріщина довга й небезпечна за розташуванням, скажімо поперек дії сили, елемент або міняють, або заварюють із просвічуванням усієї довжини шва, або вварюють вставку стиковими швами.

Ремонту не підлягають і підлягають заміні елементи з двома й більше тріщинами втоми, з тріщинами, що виходять на отвори для кріплення, з повторними тріщинами поруч чи на місці попередньої заварки, а також із різкими вигинами в місцях деформації. Втомні тріщини в підкранових балках під крани важких режимів (7К і 8К) можна ремонтувати лише як тимчасовий захід, поки не вдається зупинити виробництво для заміни. Для кранів інших режимів ремонт розраховують на тривалу експлуатацію.

Тріщини будівельних конструкцій, зокрема бетону й муру, розібрано в статті Тріщини в конструкціях будівель.

Дефекти швів і підсилення швів

Дефектні шви видаляють газовим різанням або повітряно-дуговим вистругуванням із зачисткою до металевого блиску. Шви з тріщинами, непроварами й іншими недопустимими дефектами вирізають на довжину дефектного місця плюс по 15 мм з кожного боку й заварюють заново. Підрізи основного металу, що перевищують допустимі, зачищають і заварюють із плавним переходом до наплавленого металу. Один і той самий шов переварюють не більш ніж три рази.

Коли шов не дотягує до проєктних розмірів, його підсилюють збільшенням довжини або товщини. Довжина краща, бо короткі шви створюють концентрацію напружень. Параметри визначають за різницею між розрахунковим зусиллям після підсилення й несучою здатністю наявного з’єднання. Наплавлення нових шарів застосовують, коли немає місця для нових швів, і вносять у деталь якомога менше тепла.

У конструкціях, що підсилюють під навантаженням, уникають швів упоперек діючих зусиль, а якщо без них не обійтися, розробляють спеціальні заходи. Нові шви розташовують у найменш напружених перерізах, далеко від місць зміни перерізу, вирізів і ребер, без скупчення й без перетинів під гострим кутом. Відстань між паралельними стиковими швами, а також між стиковими й кутовими, не менша за 10 товщин елемента, а кут між двома стиковими швами не менший за 60°. Тонкі й довгі шви кращі за товсті й короткі. Для динамічно навантажених конструкцій переривчасті шви не допускаються.

Підсилення елементів зварюванням ведуть у такому порядку: притискають елементи підсилення по всій довжині струбцинами, приварюють на прихватках завдовжки 20–30 мм із кроком 300–500 мм, потім заварюють кінцеві ділянки, які вводять підсилення в роботу, і лише після цього накладають зв’язувальні шви. У статично невизначених системах спершу ставлять підсилення на всі стрижні, а заварюють, починаючи з найменш навантаженого. Способи підсилення розібрано в статті Підсилення сталевих конструкцій.

Деформації й вигини

Деформовані конструкції, придатні для подальшого використання, випрямляють. Холодну правку застосовують лише до плавно деформованих елементів, її роблять на вальцях, пресах чи іншими пристроями, що дають плавне прикладання навантаження, без вм’ятин і вибоїн. За мінусових температур холодна правка не застосовується. Правка наплавленням валикових швів заборонена.

Гаряча правка припускає нагрівання: вуглецеву сталь нагрівають до 700–800 °C, низьколеговану до 900–1100 °C, закінчують не нижче 700 °C. Перегрів, загальний чи місцевий, не допускається. Метал у діапазоні 300–350 °C («синій» колір розжарення) не обробляють. Охолоджувати треба так, щоб не виникли гартування, жолоблення й тріщини. Після правки зазор між лінійкою чи натягнутою струною і полицею або стінкою не повинен перевищувати 0,001 довжини елемента, але не більше 10 мм.

Випинання стінки чи полиці означає втрату місцевої стійкості. Якщо при зростанні навантажень стінці балки не вистачає міцності на зріз або стійкості, додають поперечні, поздовжні чи похилі ребра жорсткості. Бажано ставити їх з одного боку й варити швами мінімального катета.

Елементи з різкими вигинами в місцях деформації, а також з вм’ятинами, пробоїнами й тріщинами, які не піддаються ремонту, правці не підлягають: їх замінюють частково або повністю новими. Не кожен вигин взагалі треба правити: невеликі викривлення можна ввести в перевірочний розрахунок, як описано в статті про оцінку технічного стану.

Ослаблені заклепкові й болтові з’єднання

Ознаки ослаблення: болт чи гайка провертаються, головка заклепки ходить або зміщується від удару контрольного молотка масою 300–400 г, заклепок чи болтів бракує, між головкою і пакетом є зазор. Відрив головки або зріз болта чи заклепки належить до дефектів категорії А.

Заміна заклепок буває повною, коли міняють усі заклепки вузла, і частковою. Дефектну заклепку видаляють газовою зрізкою головки або висвердлюванням, не пошкоджуючи метал. Потім перевіряють отвір: якщо є чернота, овальність, косина понад допустиме, його розсвердлюють до найближчого більшого діаметра, а розрахунком перевіряють ослаблення стінок і допустиму відстань між заклепками та до краю елемента.

У вузлі до десяти заклепок одночасно видаляють не більше однієї, у вузлах із більшою кількістю не більше 10 % від загальної; видалити більше можна лише за розрахунком. Переклепування ведуть, коли пакет стиснуто монтажними болтами, а навантаження на вузол мінімальне. Підчеканка дефектної заклепки заборонена. Накладати шви на ослаблене заклепкове з’єднання й біля головок заклепок також заборонено.

Заклепки замінюють високоміцними болтами або болтами підвищеної точності з розгорнутими під них отворами (точність H9) і гладкою частиною не коротшою за товщину пакета. Клас міцності болтів не нижчий за клас матеріалу заклепок, які видаляють. Комбіновані з’єднання, де частину зусилля сприймає зварювання, а частину заклепки чи болти, не допускаються; виняток складає лише зварювання, розраховане на все зусилля у вузлі без урахування заклепок і болтів.

Високоміцні болти контролюють вибірково: у з’єднанні до 5 болтів перевіряють усі, від 6 до 20 п’ять, а від 21 не менше чверті. Якщо бракує менше 10 % болтів, ставлять нові й затягують контрольним ключем до проєктного зусилля. Болти, що провертаються, замінюють. Якщо щуп 0,3 мм заходить у зазор між елементами, перевіряють натяг у вузлі, доводять до проєктного й фарбують стик по контуру. Тріщини в болтах, гайках чи шайбах означають заміну; тріщина в з’єднуваному елементі означає підсилення або заміну за рішенням проєктувальника. Понад 10 % ослаблених болтів у з’єднанні вже аварійний випадок.

Перенапружені анкери доповнюють додатковими фундаментними болтами, закріпленими в існуючому фундаменті чи в додатковому шарі бетону. Недостатню несучу здатність опорної плити усувають ребрами, що зменшують розміри ділянок плити.

Вирізи й відсутні елементи

Вирізи під комунікації, вилучені зв’язки й підрізані ребра належать до найчастіших пошкоджень. Виріз в елементі перевіряють за площею нетто, з ексцентриситетом від зсуву центра ваги. Якщо несуча здатність недостатня, переріз збільшують накладками або елемент замінюють. При збільшенні перерізу домагаються спільної роботи накладки й основного елемента, зокрема місцевої стійкості звісів.

Відсутній елемент відновлюють, зазвичай повторюючи раніше існуюче конструктивне рішення. Заміну застосовують, коли підсилити елемент зовсім неможливо.

Приймання й контроль після ремонту

Усі зварні шви оглядають і вимірюють, відповідальні контролюють просвічуванням чи ультразвуком, а результати фіксують. Заклепки й болти перевіряють оглядом, щупом, шаблоном і простукуванням молотком масою 300–400 г обох головок. Приймають нові та суміжні; слабкі замінюють, і перевірку повторюють.

Відремонтовану конструкцію приймає комісія до ґрунтування й фарбування. Пред’являють робочі креслення, документи на метал, акти випробувань сталі, що не має сертифіката, документи на електроди, висновки лабораторії щодо контролю швів, посвідчення зварників і акти випробувань контрольних зразків. Відхилення розмірів не повинні перевищувати допусків. В особливо відповідальних випадках проєкт включає вибіркове випробування підсилених конструкцій дослідним завантаженням.

Ґрунтують і фарбують після приймання; поверхні вузлів на високоміцних болтах не ґрунтують. Якщо конструкція мала вогнезахисне покриття, перевіряють його цілісність і товщину й доводять до нормативної. Відомості про ремонт вносять у документацію об’єкта. Про те, як корозія впливає на ремонт і підсилення, читайте в статті Корозійний знос і несуча здатність.

Що ми можемо зробити

Відомість дефектів складається за результатами технічного обстеження. Компанія ПОЛІГОНАЛЬ розробляє креслення КМ і КМД для ремонту й підсилення (проєктування) та виготовляє елементи заміни й підсилення за кресленнями замовника: різання, гнуття, зварювання, гаряче цинкування, порошкове фарбування (виготовлення). Роботи на об’єкті, зокрема монтаж елементів ремонту, виконує партнерська будівельна компанія. Як ми контролюємо зварні шви і розміри на виробництві, розказано в статті Контроль якості металоконструкцій.

Нормативи й чинність

Стан конструкцій і відомість дефектів визначають за чинним порядком технічного обстеження та Методикою проведення обстеження та оформлення його результатів (затверджена наказом від 06.08.2022 № 144) і ДСТУ 9273:2024. Розрахунок ремонту й підсилення виконують за ДБН В.2.6-198:2014 «Сталеві конструкції. Норми проектування» і ДБН В.1.2-14:2018 «Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель і споруд» (обидва зі Змінами № 1).

Вимоги до зварювальних і монтажних робіт, до контролю зварних з’єднань і до ремонту кранових конструкцій встановлюють окремі чинні нормативи: їхні назви й редакції виконавець підтверджує перед початком робіт. Значення, наведені в статті (температури правки, відстані між швами, рівні початкового навантаження), мають довідковий характер, а частину з них узято з практики ремонту кранових металоконструкцій; для конкретного об’єкта їх визначає проєкт ремонту. Чинність і чинна редакція всіх згаданих документів потребують перевірки.