Типовые повреждения стальных конструкций и способы ремонта: трещины в металле, деформации, ослабленные соединения

С чего начинают и что нельзя ухудшать

Ремонт начинают с ведомости дефектов и повреждений, составленной по результатам обследования. Для каждого дефекта определяют, опасен ли он сейчас и может ли развиться. О категориях дефектов и о том, как действовать при дефекте категории А, рассказано в статье Оценка технического состояния стальных конструкций.

Некоторые требования действуют при любом ремонте. Ремонт не должен ухудшать прочность и пространственную жёсткость, поэтому нельзя изымать стержни, меняя компоновку. Переход усилий от основных элементов к усиленным должен быть плавным. Усиление или замена не должны увеличивать эксцентриситет в узлах. Возможность демонтажа элемента для замены проверяют расчётом. Ремонтируемые поверхности очищают от грязи, масла и коррозии.

Рабочими чертежами ремонта служат чертежи КМД, а об устранении, усилении или замене повреждённых конструкций решает разработчик проекта. Сварку ответственных элементов поручают сварщикам с действующей аттестацией. Металл для ремонта не уступает имеющемуся по механическим свойствам, вязкости и свариваемости; если марка неизвестна, её сначала определяют химическим анализом и испытаниями (см. уточнение характеристик стали).

Когда конструкцию не разгрузить, перед сваркой проверяют уровень начального нагружения: отношение наибольшего напряжения в момент ремонта к расчётному сопротивлению элемента. Ориентировочные пределы такие: до 0,2 для особо тяжёлых условий (подкрановые балки под краны тяжёлых режимов, элементы бункерных и разгрузочных эстакад), до 0,4 для элементов, воспринимающих подвижную, динамическую или вибрационную нагрузку, до 0,8 для остальных. Если предел превышен, конструкцию сначала разгружают или принимают меры, ограничивающие деформации, в том числе сварочные.

При монтаже сварных конструкций запрещают ударные воздействия: для сталей с пределом текучести до 390 МПа ниже −25 °C, для сталей свыше 390 МПа ниже 0 °C.

Обзор: повреждения и типовые способы

В таблице собрано то, что разобрано ниже: какой способ ремонта типичен и где ремонт заканчивается и начинается замена.

Трещины в основном металле

Трещина в основном металле относится к дефектам категории А: она может перейти в разрыв. Поэтому её устраняют в строгой последовательности.

1. Выявляют трещину по всей длине и находят её начало и конец. Для этого смачивают поверхность керосином, вытирают насухо и покрывают мелом, либо травят, либо применяют магнитную дефектоскопию.

2. Ограничивают трещину по концам сквозными отверстиями диаметром 5–8 мм. Центр сверления ставят на расстоянии половины диаметра сверла от видимого конца трещины.

3. Готовят кромки вдоль трещины по требованиям стандартов к конструктивным элементам сварных швов. Ограничивающие отверстия зенкуют.

4. Зачищают прилегающую зону на 20–25 мм с обеих сторон и заваривают в несколько проходов, чтобы не перегревать основной металл. Ограничивающие отверстия обязательно заваривают.

5. Проверяют полноту устранения: осмотром после травления 10 %-ным раствором азотной кислоты, а при необходимости цветной, люминесцентной или магнитной дефектоскопией.

Неполная заварка, когда в элементе остаётся участок с нарушенной сплошностью, не допускается. Для несквозных трещин в массивных деталях скос кромок делают на всю глубину трещины, а во время разделки канавки глубину контролируют сверлением, при необходимости поверхностной дефектоскопией.

В жёстком контуре, например в замкнутом вырезе, одна из сторон которого меньше 60 толщин листа, нужны меры, снижающие сварочные напряжения, и сварочные материалы с высокой пластичностью наплавленного металла. Если трещина длинная и опасна по расположению, скажем поперёк действия силы, элемент либо меняют, либо заваривают с просвечиванием всей длины шва, либо вваривают вставку стыковыми швами.

Ремонту не подлежат и подлежат замене элементы с двумя и более трещинами усталости, с трещинами, выходящими на отверстия для крепления, с повторными трещинами рядом или на месте прежней заварки, а также с резкими изгибами в местах деформации. Усталостные трещины в подкрановых балках под краны тяжёлых режимов (7К и 8К) можно ремонтировать только как временную меру, пока не удаётся остановить производство для замены. Для кранов других режимов ремонт рассчитывают на длительную эксплуатацию.

Трещины строительных конструкций, в частности бетона и кладки, разобраны в статье Трещины в конструкциях зданий.

Дефекты швов и усиление швов

Дефектные швы удаляют газовой резкой или воздушно-дуговой строжкой с зачисткой до металлического блеска. Швы с трещинами, непроварами и другими недопустимыми дефектами вырезают на длину дефектного места плюс по 15 мм с каждой стороны и заваривают заново. Подрезы основного металла, превышающие допустимые, зачищают и заваривают с плавным переходом к наплавленному металлу. Один и тот же шов переваривают не более трёх раз.

Когда шов не дотягивает до проектных размеров, его усиливают увеличением длины или толщины. Длина лучше, потому что короткие швы создают концентрацию напряжений. Параметры определяют по разности между расчётным усилием после усиления и несущей способностью имеющегося соединения. Наплавку новых слоёв применяют, когда нет места для новых швов, и вносят в деталь как можно меньше тепла.

В конструкциях, которые усиливают под нагрузкой, избегают швов поперёк действующих усилий, а если без них не обойтись, разрабатывают специальные меры. Новые швы располагают в наименее напряжённых сечениях, далеко от мест изменения сечения, вырезов и рёбер, без скученности и без пересечений под острым углом. Расстояние между параллельными стыковыми швами, а также между стыковыми и угловыми, не менее 10 толщин элемента, а угол между двумя стыковыми швами не менее 60°. Тонкие и длинные швы лучше толстых и коротких. Для динамически нагруженных конструкций прерывистые швы не допускаются.

Усиление элементов сваркой ведут в таком порядке: прижимают элементы усиления по всей длине струбцинами, приваривают на прихватках длиной 20–30 мм с шагом 300–500 мм, затем заваривают концевые участки, включающие усиление в работу, и только после этого накладывают связывающие швы. В статически неопределимых системах сначала ставят усиление на все стержни, а заваривают, начиная с наименее нагруженного. Способы усиления разобраны в статье Усиление стальных конструкций.

Деформации и изгибы

Деформированные конструкции, пригодные для дальнейшего использования, выправляют. Холодную правку применяют только к плавно деформированным элементам, её делают на вальцах, прессах или другими устройствами, дающими плавное приложение нагрузки, без вмятин и выбоин. При минусовых температурах холодная правка не применяется. Правка наплавкой валиковых швов запрещена.

Горячая правка предполагает нагрев: углеродистую сталь нагревают до 700–800 °C, низколегированную до 900–1100 °C, заканчивают не ниже 700 °C. Перегрев, общий или местный, не допускается. Металл в диапазоне 300–350 °C («синий» цвет каления) не обрабатывают. Охлаждать нужно так, чтобы не возникли закалка, коробление и трещины. После правки зазор между линейкой или натянутой струной и полкой или стенкой не должен превышать 0,001 длины элемента, но не более 10 мм.

Выпучивание стенки или полки означает потерю местной устойчивости. Если при росте нагрузок стенке балки не хватает прочности на срез или устойчивости, добавляют поперечные, продольные или наклонные рёбра жёсткости. Желательно ставить их с одной стороны и варить швами минимального катета.

Элементы с резкими изгибами в местах деформации, а также с вмятинами, пробоинами и трещинами, не поддающимися ремонту, правке не подлежат: их заменяют частично или полностью новыми. Не каждый изгиб вообще нужно править: небольшие искривления можно ввести в поверочный расчёт, как описано в статье об оценке технического состояния.

Ослабленные заклёпочные и болтовые соединения

Признаки ослабления: болт или гайка проворачиваются, головка заклёпки дрожит или смещается от удара контрольного молотка массой 300–400 г, заклёпок или болтов не хватает, между головкой и пакетом есть зазор. Отрыв головки или срез болта или заклёпки относится к дефектам категории А.

Замена заклёпок бывает полной, когда меняют все заклёпки узла, и частичной. Дефектную заклёпку удаляют газовой срезкой головки или высверливанием, не повреждая металл. Затем проверяют отверстие: если есть чернота, овальность, косина сверх допустимого, его рассверливают до ближайшего большего диаметра, а расчётом проверяют ослабление стенок и допустимое расстояние между заклёпками и до края элемента.

В узле до десяти заклёпок одновременно удаляют не более одной, в узлах с большим числом не более 10 % от общего количества; удалить больше можно только по расчёту. Переклёпку ведут, когда пакет стянут монтажными болтами, а нагрузка на узел минимальна. Подчеканка дефектной заклёпки запрещена. Накладывать швы на ослабленное заклёпочное соединение и возле головок заклёпок также запрещено.

Заклёпки заменяют высокопрочными болтами или болтами повышенной точности с развёрнутыми под них отверстиями (точность H9) и гладкой частью не короче толщины пакета. Класс прочности болтов не ниже класса материала удаляемых заклёпок. Комбинированные соединения, где часть усилия воспринимает сварка, а часть заклёпки или болты, не допускаются; исключение составляет лишь сварка, рассчитанная на всё усилие в узле без учёта заклёпок и болтов.

Высокопрочные болты контролируют выборочно: в соединении до 5 болтов проверяют все, от 6 до 20 пять, а от 21 не менее четверти. Если не хватает менее 10 % болтов, ставят новые и затягивают контрольным ключом до проектного усилия. Проворачивающиеся болты заменяют. Если щуп 0,3 мм заходит в зазор между элементами, проверяют натяжение в узле, доводят до проектного и красят стык по контуру. Трещины в болтах, гайках или шайбах означают замену; трещина в соединяемом элементе означает усиление или замену по решению проектировщика. Более 10 % ослабленных болтов в соединении уже аварийный случай.

Перенапряжённые анкеры дополняют дополнительными фундаментными болтами, закреплёнными в существующем фундаменте или в дополнительном слое бетона. Недостаточную несущую способность опорной плиты устраняют рёбрами, уменьшающими размеры участков плиты.

Вырезы и отсутствующие элементы

Вырезы под коммуникации, изъятые связи и подрезанные рёбра относятся к самым частым повреждениям. Вырез в элементе проверяют по площади нетто, с эксцентриситетом от смещения центра тяжести. Если несущей способности недостаточно, сечение увеличивают накладками или элемент заменяют. При увеличении сечения добиваются совместной работы накладки и основного элемента, в том числе местной устойчивости свесов.

Отсутствующий элемент восстанавливают, обычно повторяя ранее существовавшее конструктивное решение. Замену применяют, когда усилить элемент совсем невозможно.

Приёмка и контроль после ремонта

Все сварные швы осматривают и измеряют, ответственные контролируют просвечиванием или ультразвуком, а результаты фиксируют. Заклёпки и болты проверяют осмотром, щупом, шаблоном и простукиванием молотком массой 300–400 г обеих головок. Принимают новые и смежные; слабые заменяют, и проверку повторяют.

Отремонтированную конструкцию принимает комиссия до грунтования и окраски. Предъявляют рабочие чертежи, документы на металл, акты испытаний стали, не имеющей сертификата, документы на электроды, заключения лаборатории по контролю швов, удостоверения сварщиков и акты испытаний контрольных образцов. Отклонения размеров не должны превышать допусков. В особо ответственных случаях проект предусматривает выборочное испытание усиленных конструкций опытным загружением.

Грунтуют и красят после приёмки; поверхности узлов на высокопрочных болтах не грунтуют. Если конструкция имела огнезащитное покрытие, проверяют его целостность и толщину и доводят до нормативной. Сведения о ремонте вносят в документацию объекта. О том, как коррозия влияет на ремонт и усиление, читайте в статье Коррозионный износ и несущая способность.

Что мы можем сделать

Ведомость дефектов составляется по результатам технического обследования. Компания ПОЛИГОНАЛЬ разрабатывает чертежи КМ и КМД для ремонта и усиления (проектирование) и изготавливает элементы замены и усиления по чертежам заказчика: резка, гибка, сварка, горячее цинкование, порошковая окраска (изготовление). Работы на объекте, в том числе монтаж элементов ремонта, выполняет партнёрская строительная компания. Как мы контролируем сварные швы и размеры на производстве, рассказано в статье Контроль качества металлоконструкций.

Нормативы и действительность

Состояние конструкций и ведомость дефектов определяют по действующему порядку технического обследования и Методике проведения обследования и оформления его результатов (утверждена приказом от 06.08.2022 № 144) и ДСТУ 9273:2024. Расчёт ремонта и усиления выполняют по ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» и ДБН В.1.2-14:2018 «Общие принципы обеспечения надёжности и конструктивной безопасности зданий и сооружений» (оба с Изменениями № 1).

Требования к сварочным и монтажным работам, к контролю сварных соединений и к ремонту крановых конструкций устанавливают отдельные действующие нормативы: их названия и редакции исполнитель подтверждает перед началом работ. Значения, приведённые в статье (температуры правки, расстояния между швами, уровни начального нагружения), носят справочный характер, а часть из них взята из практики ремонта крановых металлоконструкций; для конкретного объекта их определяет проект ремонта. Действительность и действующая редакция всех упомянутых документов требуют проверки.