После аварий, вызванных потерей устойчивости, аварии в результате хрупкого разрушения занимают, пожалуй, первое место. Этот вид разрушений, следуя нашей классификации, логично отнести к авариям, основными причинами которых являются неудачные проектные решения или отступления от проекта. Последнее имеет место в тех случаях, когда проектная марка стали без соответствующего на то обоснования заменяется другой.

 

 

Установлено, что при одновременном сочетании всех или части перечисленных выше факторов хрупкое разрушение стали марки Ст. 3 может произойти при напряжениях меньше 1000 кГ/см2. Склонность стали к хладноломкости является одним из основных факторов, вызывающих хрупкое разрушение. Как известно, показателями пластичности металла являются: относительное удлинение образца при его разрыве, ударная вязкость, определяемая на стандартных образцах, и результат пробы на загиб в холодном состоянии. Все эти пробы и испытания делаются при нормальной температуре в исходном состоянии стали. Испытание стали на растяжение при низких температурах, как показали многочисленные исследования (В. Г. Чернашкин — ЦНИИПС, В. С. Черняк и др.), не выявляют хрупкости при низких температурах ни у стали, ни у наплавленного металла  Ударная же вязкость, получаемая при испытании образцов с надрезом, с понижением температуры снижается. Определенному значению ударной вязкости соответствует определенная температура хрупкости.

 

Критерием хладноломкости служит критическая температура хрупкости, при которой ударная вязкость, определяемая при испытании стандартных образцов с надрезом (типа Менаже), в интервале температур от +20 до —60° С падает до ак = 3 кГм/см2. Существует ряд других методов учета хладноломкости, но они не узаконены ГОСТом. Сложность вопроса заключается в том, что нет связи между ударной вязкостью при нормальной и критической температурах. Сталь с высокой ударной вязкостью ак при нормальной температуре может оказаться более хрупкой, чем та сталь, которая при нормальной температуре имела меньшую ак.

По способу выплавки различают два вида стали: кипящую и спокойную. Спокойные стали при их выплавке получают в печи, ковше или изложнице присадки, способствующие затвердению слитка без выделения газов. Кипящие стали не получают таких добавок и при переходе в твердое состояние выделяют большое количество газов. Полуспокойные или успокоенные стали — это стали, выплавленные с таким количеством присадок, которые значительно уменьшают, но не устраняют полностью выделение газов. Действие присадок (кремний, алюминий, являющиеся рас-кислителями) усиливается с понижением температуры расплава, следовательно, спокойная сталь должна лучше раскисляться и быть менее склонной к хрупкости, чем кипящая. В последней больше загрязнений неметаллическими включениями; она более неоднородна и по химическому составу.

Падение ударной вязкости при низких температурах иллюстрируется диаграммой Гликмана и Гончарова  из которой видно, что переход в хрупкое состояние начинается непосредственно от нормальной температуры, и при температуре от —20° С до —25° С ударная вязкость составляет менее 50% от первоначальной и далее быстро падает до долей кГм/см2.

Случаи общего или местного разрушения металлических конструкций из-за хрупкости стали известны с давних пор, ведь тогда еще не существовала нержавейка лист которой достаточно устойчив к внешним воздействиям. Разрушение протекает, как правило, весьма быстро и при напряжениях более низких, чем расчетные. Примерами могут служить: растрескивание двутавровых балок по нейтральной оси, образование трещин в листах при их вальцовке, гибке, выгрузке, изготовлении, монтаже. Во время эксплуатации конструкций профили разных сечений и размеров иногда лопаются. Чаще всего хрупкое разрушение происходит в конструкциях, выполненных из хладноломких конверторных сталей с повышенным содержанием фосфора или .мартеновских    кипящих,    имеющих    «порог    хладноломкости» в интервале —10, —30° С, работающих в неотапливаемых помещениях или на открытом воздухе (транспортерные галереи, крановые конструкции, опоры электропередач и т. п.).

Особенно неблагоприятно на конструкцию влияет наличие концентраторов напряжений — отверстий, прорезей, трещин, подрезов, расположенных в местах и на участках с высокими местными напряжениями и ориентированных поперек направления действующих растягивающих напряжений. Хрупкому разрушению способствует неправильное выполнение сварных работ, особенно в зимнее время, заключающееся в отсутствии подогрева изделий при температуре окружающей среды ниже —30° С, отсутствии защиты от ветра, применении электродов ненадлежащих марок, несоблюдении определенного порядка в последовательности наложения сварных швов, отсутствии контроля за качеством сварных соединений.

В конструкциях, работающих под давлением, нежелательно наличие концентраторов напряжений в виде отверстий, лазов, приварки различных деталей для крепления впомогательных элементов.

Изготовление конструкций, предназначенных для работы при низких температурах, необходимо производить по специально разработанной технологии: применять в ответственных случаях термическую обработку узлов с целью снятия местных повышений напряжений (заводы, изготавливающие металлоконструкции, должны быть оборудованы термическими печами для нагрева конструкций до / = 900°С). В районах, где температура опускается ниже —30° С, —40° С, желательно для строительных конструкций применять только спокойную сталь.

 

 

 

 

 

 

1. В 1960 г. в Комсомольске-на-Амуре обрушилась часть металлических конструкций покрытия крупного промышленного цеха. Авария произошла на площади 900 м2. Обрушение было вызвано разрушением узла опорной панели подстропильной фермы пролетом 27 м. Основной причиной разрушения косынки оказалась скрытая трещина, образовавшаяся в результате хладноломкости стали. На подстропильную ферму (рис. 29) опирались четыре фермы с пролетами 33 м. Конструкции были изготовлены за 8 лет до аварии и 6 лет хранились на складе. Материал конструкций — сталь марки Ст. 3. Скрытый дефект в фасонке был обнаружен комиссией, расследовавшей причины аварии. Скрытая односторонняя трещина проходила почти по всей длине косынки -и была залита кузбасслаком, который проник внутрь ее. Это свидетельствовало о том, что трещина возникла при изготовлении фермы на заводе, который делал огрунтовку конструкций кузбасслаком. В результате изучения взаимного расположения обрушившихся конструкций, характера разрушения ферм и их узлов установлено, что из-за наличия трещины разрушение началось именно с этого узла, а затем двух смежных. Ферма упала на нижележащую подкрановую балку, повредив ее. Обрушение первой подстропильной фермы повлекло за собой разрушение узлов противоположной подстропильной фермы и затем всего покрытия.

Вырезанные из фасонок вдоль и поперек прокатки и испытанные на ударную вязкость образцы показали резкое падение последней при отрицательной температуре, что свидетельствует о хладноломкости стали:

Дальнейшие исследования последствий аварии выявили до 30 дефектных узлов в подстропильных фермах, в которых были обнаружены трещины в косынках. В проекте реконструкции подстропильных ферм было предусмотрено исключение дефектных фасо-нок из работы путем введения решетки противоположного направления. Подстропильные фермы пролета цеха реконструировались без демонтажа после их разгрузки путем снятия кровли и прогонов по фермам.

2. Обрушение одного из пролетов 7-пролетной транспортерной галереи, предназначенной для подачи агломерата от аглофабрики к бункерной эстакаде доменных печей, произошло зимой 1965 г. на металлургическом заводе в Темир-Тау. Температура наружного воздуха была —36° С. Галерея длиной 276 м, шириной в осях главных ферм 11 м. Ее пролетные строения состояли из двух главных пролетных ферм, соединенных между собой по нижнему и верхнему поясам поперечными фермами. Пролетные строения были установлены на стальные двухвет-венные колонны, защемленные в фундаментах; колонны попарно соединялись в поперечном направлении порталами. Металлоконструкции пролетных строений галереи были изготовлены из мартеновский кипящей стали марки Ст. 3 группы А в 1959 г. и до монтажа (март 1962 г.) хранились на открытом складе. К моменту обрушения снега на галерее не было, скорость ветра достигала 2 м/сек, напряжения в элементах конструкций не превышали 75% расчетных.

При обрушении установлено, что многие элементы главных ферм — пояса и раскосы — имели разрывы, большинство которых располагалось в местах примыкания элементов к узловым фасон-кам. Характер разрывов был хрупкий, с блестящим кристаллическим изломом. Разрушение началось с разрыва нижнего пояса одной из главных ферм в узле 4 (рис. 30), затем разорвался нижний пояс второй фермы. После этого конструкция пролетного строения начала работать по схеме трехшарнирной арки со стрелой подъема, равной высоте фермы.

Возникший в трехшарнирной системе распор составил около 100 т. Опоры фермы катковые. В первый период опорный узел фермы сместился в противоположном направлении до упора в соседние фермы. Далее под действием распора началась последовательная сдвижка соседних пролетных строений и искривление колонн. С увеличением пролета «арки» и при опускании ее верхнего шарнира распор увеличивался и элементы конструкции разрушались. Пролетное строение обрушилось; в момент удара о землю образовались многочисленные разрывы.

Основная причина аварии — хрупкое разрушение стали, обусловленное ее хладноломкостью. Последнюю определяли по ударной вязкости при разных температурах на образцах, вырезанных из конструкции вблизи узла 4. Условный порог хладноломкости {температура, при которой ударная вязкость опускается до 2 кГм/см2) оказался от —10 до —50° С. Химический анализ стали выявил большую неравномерность содержания углерода и серы (от 0,036 до 0.063%). В поясных уголках уцелевших ферм содержание углерода было в пределах 0,25—0,35% при норме 0,22%, а содержание серы — 0,077% при норме 0,055%, что как известно, отрицательно влияет на хладноломкость и свариваемость стали. Хрупкому разрушению металлических конструкций способствовало обнаруженное при обследовании низкое качество стали, сварочных работ, а также неудачные конструктивные решения отдельных узлов.

3. На Карагандинском металлургическом заводе в 1960 г. имело место хрупкое разрушение стальных конструкций транспортерной галереи [18, 27]. Она предназначалась для транспорта руды от вагоноопрокидывателя на склад. Галерея трехпролетная с пролетами 41,5 + 30 + 41,5=113 м. Внутреннее сечение 18x6, пол ее находился на отметке 15,6 м. Несущие конструкции галереи состояли из продольных разрезных стальных ферм длиной 41 и 29 м и высотой 6,7 м, к которым крепились поперечные фермы. Продольные фермы опирались на стальные колонны через литые опоры балансирного типа. Кровля и пол галереи—из сборных железобетонных плит. Плиты опирались на стальные прогоны, уложенные по стропильным фермам.

В день аварии средняя температура наружного воздуха была —15°С и максимальная скорость ветра — 8 м/сек. Весь день наблюдался снегопад, а к вечеру началась метель. Обрушился пролет между осями С—X. Исходя из положения конструкций, после обрушения установлено, что авария произошла внезапно в результате разрыва нижнего пояса по оси 31 во втором от опоры узле нижнего пояса, так как обе части этого узла находились на большом расстоянии друг от друга. Один из концов зарылся в землю на глубину до 2 м, остальные три разрыва нижнего пояса и четыре верхнего произошли от удара фермы о землю (фермы сварные с треугольной решеткой, пояса Я-образного сечения). Опорный башмак по ряду С фермы соскользнул с балансира по ветви колонны, повредил ее и повис на высоте 9 м, опираясь на ветвь колонны. Ферма разорвалась на три части длиной около 22,6 и 12 л. При падении она столкнула крайнюю колонну, на которую опиралась, и потянула за собой противоположную ферму этого же пролета (по оси 26).

 

 

 

 

 

 

 

Эта ферма обрушилась также в результате разрыва верхнего и нижнего поясов. Тщательно проведенные поверочные расчеты, физико-механические и химические исследования показали:

1. В момент аварии максимальное напряжение в поясе фермы по оси 31 от фактических нагрузок было около 1030 кГ/см2 вместо 2100, т. е. фактическое напряжение было вдвое меньше расчетного.

2.    Примененная в конструкциях сталь отличалась резко выраженной ликвацией  по содержанию углерода и серы, в отдельных точках вблизи мест предполагаемого очага разрушения содержание углерода было 0,38—0,4%.

3.    В конструкциях, работающих в условиях низких температур, вместо углеродистой  спокойной  стали  или  полуспокойной была применена кипящая сталь Ст. 3 группы А без дополнительных гарантий в отношении содержания углерода, серы и фосфора; в месте разрыва поверхности излома всех образцов, вырезанных из элементов конструкции, имели отчетливо выраженную зернистую структуру, типичную для хрупкого разрушения. Ударная вязкость стали при 0° оказалась низкой, а при —8° С не превышала, 1,2 кГм/см2.

4.    Почти у всех 30 ферм пролетом 30 и 36 ж перекрытия обогатительной фабрики в крайних фасонках верхнего пояса образовались трещины «хрупкого вида». Причиной образования трещин было не учтенное расчетом местное повышение напряжений за счет эксцентриситета в передаче усилия в верхнем поясе фермы, который возник благодаря изменению сечения на фасонке и за счет изгиба   опорного   раскоса,   вызванного неудачной конструкцией шпренгеля.  Трещины  образовались  в  зоне скопления  сварных швов: в одних случаях они пересекали фасонку, не затормаживаясь, а в других останавливались, не пересекая фасонку.

5.    В условиях сибирской зимы при резком падении температуры до —50° С в одну ночь обрушилось девять стальных опорконтактной сети. Опоры были выполнены из хладноломких сталей, из материала различных профилей и различных марок: Ст. О,частично Ст. 4, сталь марки Ст. 3 кипящая, МСт. 4 и др.

Разрушение было вызвано вибродинамическим воздействием, подвижного состава.
Исследования показали, что резкое ухудшение пластических свойств, характеризуемое падением ударной вязкости в различных профилях, наступает:

 

-в прокатных уголках и швеллерах при температуре от —10 до-—20° С. -в штампованных уголках из стали МСт. 4 при температуре от —30 до—40° С; -в трубах из стали МСт. 4 при температуре ниже —40° С.

 

Томасовские стали, где фосфора больше, чем в мартеновских и  даже  бессемеровских,  переходят  в   хрупкое  состояние   при температуре, близкой к 0°С. Конструкции из таких сталей встречаются в постройках 1952—1953 гг.
Особое внимание следует обратить на недопустимость нарушения технологии усиления конструкций в тех случаях, когда усиление выполняется при низких температурах.

Случай хрупкого разрушения узловых фасонок в решетчатых подкрановых балках, вызванный значительной концентрацией сварных швов и возникновением реактивных напряжений, неблагоприятно сочетавшихся с температурными воздействиями, описан в статье. В результате ошибки, допущенной в проекте, потребовалось усиление сечений почти всех раскосов, а также усиление сварных швов, прикреплявших эти раскосы к узловым фасонкам. Усиление выполнялось на месте монтажа, куда уже были завезены конструкции. Сварка производилась на открытом воздухе, без подогрева при температуре до —25 -т-30° С.

На нескольких усиленных балках разрушились узловые фасонки, причем их трещины примерно совпадали с биссектрисами углов, образованных поясом и раскосом.

Натурными испытаниями было установлено, что дополнительные напряжения в фасонке и усиливаемом раскосе при сварке в направлении от кромки фасонки к торцу уголка не превышали 600 кГ/см2 (температура воздуха немного выше нуля). Тем не менее в условиях низкой температуры при беспорядочном наложении швов напряжения были значительно выше. Суммируясь с остаточными, возникшими при изготовлении балок, они привели к хрупкому разрушению. Напряжения в элементах усиления раскосов оказались на 40% ниже, чем в основных уголках.

Анализ случаев хрупкого разрушения металла в стальных конструкциях показывает, что хрупкое разрушение вызывается рядом факторов, основными из которых являются свойства стали: склонность к хрупкому разрушению, высокие местные концентрации напряжений, характер силового и температурного воздействия. По материалам Проектстальконструкции установлено, что за последнее десятилетие в отечественной и зарубежной практике известно около 90 случаев хрупкого разрушения сосудов, резервуаров, ферм, трубопроводов и других сооружений.