Выбор сталей для сварных конструкций

Выбор стали зависит от условий эксплуатации конст­рукции, тех критериев работоспособности и долговечности, которые оказались определяющими при выборе сече­ний, а также специальных требований, связанных с осо­бенностями конструкции. Кратко перечислим связь кри­териев работоспособности со свойствами стали.

1. В условии прочности (в смысле ограничения пласти­ческих деформаций, п. 7.2) фигурирует предел текучести. Следовательно, выбор более прочной стали обеспечит вы­полнение условия прочности при меньшей металлоемко­сти, но большей стоимости стали. Если конструкция под­вергается тепловым воздействиям, то необходимо учиты­вать теплостойкость стали.

2. Сопротивление хрупкому разрушению зависит от свойств материала и требует выбора стали, сохраняющей пластичность при самых низких температурах эксплуата­ции (п. 7.3).

3. Условие жесткости накладывает ограничение на про­гиб конструкции (гл. 8). Прогиб зависит от модуля упруго­сти, который одинаков для всех сталей.

4. Сопротивление усталости для сварных конструкций не зависит от механических свойств стали (п. 10.2.1).

5. Критические напряжения в условии устойчивости (об­щей и местной) связаны только с модулем упругости ста­ли, следовательно, не зависят от ее марки и прочностных характеристик.

6. Сопротивление коррозионному повреждению зависит от химического состава стали, однако основным способом защиты являются конструктивно-технологические меро­приятия (п. 1.3).

Таким образом, выбор марки стали влияет только на вы­полнение условий прочности и сопротивления хрупкому раз­рушению. Что касается выбора стали из условия прочности, то решение этого вопроса во многих случаях имеет в основ­ном экономическое значение. Прочность большинства кон­струкций можно обеспечить, изготавливая их почти из лю­бой стали. Поэтому эффективность снижения металлоемко­сти за счет применения более прочной и, следовательно, бо­лее дорогой стали в каждом конкретном случае должна быть подтверждена экономическим анализом, в котором учиты­ваются специфика конструкции, фактические цены на мате­риал, затраты на производство и пр. Наиболее эффективно применение сталей высокой прочности для мобильных кра­нов легкого режима работы со стреловой системой большого вылета, а также для конструкций, которые в значительной степени загружаются собственным весом.

Наибольшее значение выбор сталей имеет для обеспече­ния теплостойкости и хладостойкости конструкции. Склон­ность стали к хрупкому разрушению растет с понижением температуры эксплуатации и увеличением толщины прока­та. Применение сталей для конструкций грузоподъемных машин нормировано. Некоторые стали, допущенные к при­менению для крановых металлических конструкций норма­тивными документами (РД 22-16-2005), указаны в табл. 12.1.

Таблица 12.1 Стали, допущенные к применению для крановых металлических конструк­ций в виде листового горячекатанного проката (выборка из РД 22-16-2005) Условия эксплуатации; минимальная температура, °С Марка стали Стандарт на прокат Допустимая толщина листового проката, мм, не более Климатическое исполнение У1; -40 °С СтЗспб ГОСТ 14637 09Г2С-12 ГОСТ 19281 15ХСНД-12 ГОСТ 19281 10ХСНД-12 (ТО) ГОСТ 19281 WELDOX 700Е (ТО) EN 10202-2.4 Климатическое исполнение XJI1; -60 °С 09Г2С-15 ГОСТ 19281 15ХСНД-15 ГОСТ 19281 10ХСНД-15 (ТО) ГОСТ 19281

Примечание. ТО — сталь поставляется в термообработанном состоянии, после нормализации.

В европейских нормах на стальные конструкции CEN/ TS13001-3-1:2004 принята балльная система определе

ния требований к хладостойкости сталей, выпускаемых в Евросоюзе. Учитываются четыре основных фактора, спо­собствующих возникновению хрупкого разрушения: тем­пература эксплуатации, механические свойства стали, тол­щина проката, концентрация напряжений. Степень реа­лизации каждого фактора в проектируемой конструкции оценивается некоторым количеством баллов (табл. 12.2).

В зависимости от полученной суммы баллов ; назнача­ется температура испытаний на ударную вязкость, при ко­торой должно быть гарантировано значение работы удара :

Следует отметить, что на образцах типа 11 по ГОСТ 9454 соответствует значению . По данной системе для типичной листовой конструкции из

стали 09Г2С, эксплуатируемой при температуре до -40 °С,

получится баллов, следовательно, ударная вяз­кость должна быть обеспечена при температуре 0 или -20 °С.

Сортамент проката

Сортаментом проката называют ряд однотипных про­филей, характеризуемых размерами, формой, погонной массой и пр. Для изготовления конструкций используютпрокат общего назначения из различных марок сталей. В основном применяют листовой и широкополосный про­кат, из которого с помощью газовой, плазменной или ла­зерной резки, а также сварки и гибки можно получить конструкции любых форм и размеров. Листовой прокат выпускается толщиной от 4 до 160 мм, шириной до 3800 мм в листах длиной 6-12 м. Тонколистовой прокат толщиной до 12 мм поставляется в рулонах (ГОСТ 19903, ГОСТ 19904). Широкополосный прокат представляет со­бой прокатную полосу с ровными краями толщиной от 6 до 60 мм и шириной от 200 до 1050 мм (ГОСТ 82). Для настилов предназначен рифленый лист (ГОСТ 8568).

Фасонным прокатом называют двутавры, швеллеры, уголки. Двутавровые балки изготавливают в виде обыкно­венного профиля (ГОСТ 8239) с полками переменной тол­щины высотой от 100 до 600 мм и с параллельными граня­ми полок высотой до 1000 мм (ГОСТ 26020). Швеллеры — высотой от 50 до 400 мм с наклонными и параллельными гранями полок (ГОСТ 8240). Уголки равнополочные и не­равнополочные имеют размер полки от 20 до 250 мм (ГОСТ 8509, ГОСТ 8510). Для устройства подвесных путей применяют двутавры типа М (ГОСТ 19425), имеющие бо­лее толстую стенку и более узкие и толстые полки. Фасон­ные профили имеют такие параметры сечения, что мест­ная устойчивость их полок и стенок гарантированно обес­печена при максимальных напряжениях, допустимых по условию прочности при общем изгибе и сжатии, и поэтому не требует дополнительной проверки (п. 9.4).

Стальные трубы могут быть электросварные диамет­ром до 1420 мм и толщиной стенки до 16 мм (ГОСТ 10704) и горячекатаные диаметром до 550 мм и толщиной стен­ки до 75 мм (ГОСТ 8732). Весьма перспективными явля­ются замкнутые сварные и несварные прямоугольные про­фили.

Гнутые профили могут быть стандартными, швеллер­ного (ГОСТ 8278), С-образного (ГОСТ 8282), Z-образного, углового сечений или изготавливаться для конкретной кон­струкции. Их производят из листа или полосы толщиной не более 8 мм. Гнутые профили имеют меньший погонныйвес, чем прокатные профили той же высоты, но и мень­ший момент инерции. Поэтому их удобно использовать для вспомогательных, слабонагруженных элементов.

Для несущих элементов используется прокат толщиной не менее 4 мм. Это объясняется технологическими требо­ваниями удобства сварки, необходимостью иметь запас толщины на случай коррозионного повреждения. Кроме того, элементы конструкции с более тонкими стенками могут быть легко повреждены при транспортировке и мон­таже.

Для отдельных элементов используется сортовой прокат, квадратный и полосовой, а также круг. Для создания опор­ных путей используют рельсы железнодорожные, узкой и широкой колеи (ГОСТ 6368, ГОСТ 7173, ГОСТ 7174, ГОСТ 8161), и крановые (ГОСТ 4121).