книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

несколько 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

Продолжение табл. 5

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

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

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.

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]

37

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

39

Продолжение табл. 8

* Условные обозначения: М — недостаточная хладостойкость металла; К — конструктивные концентраторы напряжений; С — концен­ траторы напряжений сварочного происхождения; Э — концентраторы напряжений, возникшие в эксплуатации.

40