Характеристики стали при обследовании

Зачем уточнять свойства стали

При проектировании новых конструкций расчётные характеристики стали назначают по стандартам, которые устанавливают значения на основе статистической обработки выборочных испытаний на металлургических заводах. В условиях эксплуатации и реконструкции при техническом обследовании характеристики стали нужно уточнять для каждой конструкции или группы конструкций. Как показывают массовые обследования, такой подход позволяет выявить значительные резервы несущей способности конструкций.

Значимость свойств зависит от условий работы. Например, при пониженных температурах особенно важна склонность стали к хрупкому разрушению, а для подкрановых балок — характеристики усталостной прочности. Свойства можно установить прямыми методами (испытания проб и образцов, взятых из конструкций — точнее, но трудоёмко) и косвенными (неразрушающий контроль — менее точный, но проще).

Вид и количество испытаний зависят от анализа имеющейся документации: чертежей КМ (марки стали, электродов, металлоизделий), чертежей КМД (отклонения от проекта), сертификатов на сталь, актов и журналов работ, прежних отчётов об обследовании. Испытания обязательны, если сведений о материале конструкций недостаточно, а также если обнаружены повреждения, связанные с качеством металла (расслоение, трещины, хрупкое разрушение).

При исследовании и испытании металла определяют:

• химический состав: углерод, кремний, марганец, серу и фосфор (для всех сталей), хром, никель и медь (для низколегированных), а при необходимости — азот;
• предел текучести, временное сопротивление и относительное удлинение при растяжении;
• ударную вязкость при температуре −20 °C для углеродистой стали и −40 °C для низколегированной (при необходимости — после механического старения);
• распределение сернистых включений способом отпечатков по Бауману.

Для менее ответственных конструкций, работающих при невысоких напряжениях и не при очень низких температурах, часть испытаний можно не проводить.

Количество проб и образцов, их размеры

Количество проб и образцов, взятых из металла конструкций, должно быть минимальным при достаточной надёжности результатов, как и объём вырезаемого металла: увеличение количества и объёма образцов повышает трудоёмкость и ослабляет конструкцию. Чтобы идентифицировать материал, металл конструкций разбивают на партии: в партию входят элементы одного вида проката (по номерам, толщинам и маркам стали), относящиеся к одним и тем же конструкциям. Количество проб от каждой партии должно быть не меньше определённого нормами.

Для химического анализа из конструкций берут стружку, получаемую сверлением определённых мест, обрабатывая всё поперечное сечение проката или его симметричную половину. Перед взятием пробы поверхность очищают от масла, грязи, краски и продуктов коррозии до металлического блеска; пробу отбирают без смазки.

Для испытания на растяжение из конструкций вырезают заготовки, из которых изготавливают цилиндрические образцы диаметром от 3 мм или плоские толщиной от 0,5 мм; в условиях эксплуатации предпочтительны короткие образцы. Основным для цилиндрических образцов является диаметр 10 мм; для листовой стали и фасонного проката толщиной до 25 мм применяют плоские образцы с сохранением поверхностных слоёв проката. При вырезке нужны припуски, оберегающие образец от наклёпа и нагрева; при огневой резке — не менее 15 мм от линии реза до края готового образца при толщине проката до 60 мм и 20 мм при толщине свыше 60 мм. Для ударной вязкости используют стандартные образцы с U- или V-образным концентратором в зависимости от ответственности конструкций.

Где отбирают пробы

Места отбора назначают с учётом нагруженности элемента: свойства стали необходимо определить для наиболее невыгодных пределов, поэтому наибольший интерес представляют свойства металла наиболее нагруженных элементов. Сначала определяют элементы с наибольшим уровнем напряжений. В условиях эксплуатации заготовки обычно вырезают огнём, а ослабленные места усиливают электросваркой, поэтому места отбора должны быть доступны.

Значительное влияние на результаты оказывает текстура проката, поэтому следует определить направление прокатки и отбирать и изготавливать образцы: из сортового и фасонного проката — вдоль направления прокатки; для листовых элементов, направление прокатки которых не установлено, — вдоль основного силового потока.

Анализ результатов и назначение расчётных характеристик

Химический анализ определяет процентное содержание элементов. Прежде всего обращают внимание на содержание вредных примесей — серы и фосфора, делающих сталь красно- и хладноломкой: в зависимости от условий эксплуатации повышенное содержание может исключить дальнейшее использование конструкций. Особое внимание уделяют степени раскисления стали, которую ориентировочно определяют по содержанию кремния. Для её уточнения (а также при использовании раскислителей без кремния) применяют отпечатки по Бауману: на подготовленный шлиф накладывают лист фотобумаги, смоченный 5 % раствором серной кислоты; через 5–10 минут проявляется макроструктура с расположением сернистых включений. На отпечатке кипящей стали видны многочисленные тёмные полосы (сульфидные строчки), полуспокойной — одиночные редкие полосы, спокойной — полос нет или есть редкие точечные включения.

По химическому составу оценивают и свариваемость — комплексную характеристику, включающую прочность соединения, стойкость к горячим и холодным трещинам, хладноломкость. В эксплуатируемых сварных конструкциях косвенной оценкой служит состояние сварных швов: если трещин, вызванных самим процессом сварки, не обнаружено, дополнительных оценок обычно не требуется. Обычно свариваемость оценивают по углеродному эквиваленту: сталь считается хорошо свариваемой, когда он не превышает 0,45 %; обычная малоуглеродистая сталь хорошо сваривается при содержании углерода до 0,22 %, серы до 0,055 %, фосфора до 0,050 % и кремния до 0,22 %.

Основные характеристики прочности устанавливают по результатам механических испытаний. Поскольку несущую способность существующих конструкций определяют по методике предельных состояний, по результатам испытаний необходимо назначить нормативное и расчётное сопротивление стали. Если для каждой партии испытано 10 и более образцов, нормативное сопротивление определяют статистическими методами: принимают значение предела текучести с обеспеченностью не ниже 95 % (распределение предела текучести близко к нормальному); при ограниченной выборке учитывают, что статистические характеристики могут отличаться от параметров генеральной совокупности, а доверительную вероятность назначают в зависимости от ответственности конструкций. Во всех случаях нормативное сопротивление не принимают выше минимального полученного предела текучести.

Если количество испытаний ограничено и непосредственно использовать результаты нельзя, по материалам испытаний устанавливают марку стали или её аналог по нормам периода строительства, а расчётные характеристики назначают с учётом опыта. Коэффициенты надёжности по материалу для существующих конструкций регламентируют действующие нормы проектирования стальных конструкций.

Экспресс-анализ и косвенные методы

Косвенные методы неразрушающего контроля (твердомер, ультразвук и т. п.) менее точны, но быстры и не ослабляют конструкцию; их применяют для экспресс-оценки прочности и для выбора мест, где нужны прямые испытания. Окончательные выводы о несущей способности основываются на прямых испытаниях проб и образцов.