Admin

Перспективная марка стали для пролетных строений мостов

КОНДРАТОВ В.В., Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии (НИИ мостов), заведующий отделением,
РУМЯНЦЕВ Е.И., НИИ мостов, главный механик, РОСТОВЫХ Т.Н., НИИ мостов, ведущий научный сотрудник


Аннотация. Проведенные ранее исследования коррозионностойкой стали 14ХГНДЦ выявили ее низкую сопротивляемость к растрескиванию в сероводородной среде. В связи с этим актуален поиск новых марок стали, отвечающих текущим потребностям строительной отрасли в части создания малообслуживаемых строительных конструкций для регионов с морским климатом. Приведены результаты исследований долговечности металлопроката и его сварных соединений на стадии разработки новой атмосферостойкой стали 06ГНЗД, что связано с планируемым строительством моста через пролив Невельского.
Ключевые слова: атмосферостойкие стали, 14ХГНДЦ, 06ГНЗД, сварные соединения, механические характеристики, испытания на выносливость.


Мировой тенденцией в мостостроении является создание малообслуживаемых пролетных строений, в том числе металлоконструкций из атмосферостойких сталей, не требующих дополнительной защиты от коррозии как в процессе изготовления, так и в течение нормативного срока службы — около 100 лет.
Атмосферостойкие стали с содержанием углерода менее 0,2 % относятся к категории пластичных. Повышенная коррозионная стойкость таких сталей обусловлена образованием плотного, с хорошей адгезией слоя продуктов коррозии. На поверхности атмосферостойких сталей в течение двух—трех лет, в зависимости от чистоты атмосферного воздуха и увлажнения, появляется плотная пленка, защищающая металл от дальнейшей коррозии. В процессе образования пленки растворимые соли смываются с поверхности металла, а нерастворимые, постепенно накапливаясь на ней, создают плотную защитную пленку окислов — патину. Обладая большой механической прочностью и коррозионной стойкостью, патина также ценится за привлекательный внешний вид и способность к самовосстановлению.
Освоение производства атмосферостойкой стали, которая не требует покраски, позволило резко увеличить число стальных мостов во всем мире. За последние 10 лет примерно в три раза увеличилось количество мостов из атмосферостойкой стали; в настоящее время — это более 15 % рынка. Атмосферостойкие стали снижают стоимость жизненного цикла стальных конструкций, эксплуатируемых длительное время.
В Европе, Северной Америке, Японии и других странах количество железнодорожных мостов, изготовленных из атмосферостойкой стали COR-TEN или аналогичной ей, не требующей защиты от коррозии
при эксплуатации, составляет от 5 до 40 %.
В Советском Союзе в 1970-х гг. начали разрабатывать сталь 14ХГНДЦ, аналогичную атмосферостойкой COR-TEN, не требующей дополнительной защиты от коррозии. Была поставлена задача освоить ее производство на отечественных предприятиях.
В 1989 г. на Юго-Восточной, Южно-Уральской и Восточно-Сибирской дорогах установили три пролетных строения длиной по 55 м (проект 1293к) из стали 14ХГНДЦ (опытная эксплуатация) [1]. Однако более поздние исследования показали неудовлетворительный результат при стандартном испытании на водородное растрескивание [2]. Применение в морском климате конструкций из стали 14ХГНДЦ [3] без покраски, так же как и COR-TEN, невозможно вследствие того, что образующаяся на их поверхности защитная пленка не может противостоять воздействию морских солей.
Необходимость разработки новой атмосферостойкой стали обусловлена планируемым строительством моста через пролив Невельского.

По инициативе руководства ОАО «Институт Гипростроймост» решено проводить исследования на основе стали 06ГНЗД, содержащей более 3 % никеля. Заказчиком выступило АО «Уральская сталь», исполнителями — АО «ВНИИЖТ», АО «НИИ мостов» и ООО «ЦСП Мосты» [4].
В 2018 г. по заказу АО «ВНИИЖТ» сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» совместно с ЦНИИ КМ «Прометей» провели ряд опытных лабораторных плавок и изготовили листовой металлопрокат атмосферостойкой стали марки 06ГНЗД в соответствии с ТУ 0971-3520П-01124323-2017. Опытные плавки и изготовление листового металлопроката были выполнены в лабораторных условиях. На базе указанного металлопроката проведены исследования его коррозионной стойкости, подбор сварочных материалов и отработка технологии сварки стали марки 06ГНЗД, а также исследования ее долговечности. В АО «НИИ мостов» выполнены исследования долговечности основного металлопроката и некоторых его сварных соединений.
В соответствии с программой работ в ООО «ЦСП Мосты» были изготовлены пластины из основного металла и со сварными стыковыми и тавровыми соединениями из металлопроката четырех плавок. Все три серии образцов испытывали на усталость при растяжении—сжатии с асимметричными циклами напряжений, изменявшихся по простому периодическому закону с постоянными параметрами. Методика испытаний регламентирована ГОСТ 25.502 [5].
Уровень напряжений в основном металле исследуемых образцов выбирали таким образом, чтобы их долговечность изменялась в пределах от 200 тыс. циклов нагружения до 5 млн и более. С этой целью предварительно определи механические характеристики исследуемой стали. Для этого изготовили образцы (тип III № 6 по ГОСТ 1497— 84) из металлопроката разных плавок для испытаний на растяжение.

При испытаниях определяли предел текучести, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение по ГОСТ 1497.
Для примера на рис. 1 приведена диаграмма деформирования образцов, изготовленных из прокатного металла одной из опытных плавок, по сравнению с диаграммами деформирования образцов из стали марок 10ХСНД и 09Г2С.
Результаты испытаний на растяжение образцов основного металла (табл. 1) показали, что на диаграммах деформирования отсутствует явно выраженная площадка текучести, поэтому определяли условный предел текучести 0,2 — напряжение, при котором остаточная (пластическая) деформация составляет 0,2 %.
Поскольку предел текучести стали марки 06ГНЗД превышает 5000 кг/см2, образцы из основного металла испытывали на выносливость в диапазоне напряжений 5000—2400 кг/см2, причем прикладывали осевую нагрузку при одинаковом коэффициенте асимметрии цикла р = 0,1.
Толщина листового проката опытных плавок, из которого были изготовлены отдельные образцы, на длине 10—12 см изменялась в некоторых случаях на 0,4—0,6 мм, что влияло на надежность их закрепления в захватах пресс-пульсатора и на равномерность распределения напряжений в поперечном сечении образцов от осевой нагрузки.


Вследствие этого установка образцов осуществлялась с контролем их фактического напряженного состояния. Образцы из основного металла испытывались на пресс-пульсаторе ГРМ-1, а образцы со сварными соединениями — на пресс-пульсаторе ЦДМ 100ПУ.
Результаты испытаний основного металла приведены в табл. 2.
Результаты испытаний отдельных образцов (№ 1 и № 5) свидетельствуют о том, что при качественном изготовлении металлопроката и отсутствии на поверхности металла значимых дефектов сталь 06ГНЗД имеет высокие показатели по сопротивлению усталости. На рис. 2 показан излом образца № 1 серии 1 — четко прослеживается усталостный характер зарождения трещины с поверхности образца в средней части.
Повышенный разброс по долговечности образцов, изготовленных из основного металла без концентраторов напряжений и со сварными соединениями, объясняется тем, что, во-первых, для исследований были представлены заготовки из листового проката низкого качества с характерными поверхностными дефектами в виде неметаллических включений и вдавленных мелких фрагментов окалины металла; во-вторых, образцы выполнили из заготовок, вырезанных из металлопроката четырех различных плавок.
Показатели механических характеристик металла этих плавок имеют большой разброс по пределу текучести (от 485 до 618 МПа) и пределу прочности (от 545 до 702 МПа). Большое количество неметаллических включений различной формы свидетельствует о том, что металлопрокат опытно-лабораторных партий стали марки 06ГНЗД изготовлен не по отработанной технологии.
Для примера на рис. 3 показан характер излома образца № 2. Отчетливо видны характерные зоны при-тертости металла в средн^ части рабочей ширины образца. Прослеживается зарождение трещины от двух очагов, главный из которых диагностируется как небольшое неметаллическое оксидное включение, ориентированное с поверхности металла на глубину 2,2—2,5 мм.
В целом сталь марки 06ГНЗД имеет более высокие значения пределов текучести и прочности, чем используемые в настоящее время для изготовления пролетных строений мостов стали марок 15ХСНД и 10ХСНД. При этом все указанные марки стали имеют примерно одинаковые параметры пластичности и хорошо свариваются, что является необходимыми требованиями, предъявляемыми к мостовым сталям.

Выводы

• 1. Результаты исследований прочностных характеристик стали марки 06ГНЗД показали ее достаточно высокие прочностные и пластические характеристики. Она обладает более высокими значениями пределов текучести и прочности, чем используемые в настоящее время для изготовления пролетных строений мостов стали марок 15ХСНД и 10ХСНД. Представленные на испытания стальные образцы имеют достаточно высокую пластичность; относительное удлинение изменяется от 21,4 до 26,02 %.
• 2. Результаты испытаний отдельных образцов стали свидетельствуют о том, что при качественном изготовлении металлопроката и отсутствии на поверхности металла значимых дефектов сталь 06ГНЗД имеет высокие показатели по сопротивлению усталости. Исследования макро- и микроструктуры зон усталостных разрушений испытанных образцов стали выявили часто встречающиеся в изломах внутренние включения оксисульфидов различных форм, оксидов и закатов толстой окисной пленки на поверхности листов проката, а также углубления различных форм, уменьшающие рабочее сечение образцов. Указанные неметал
• лические включения существенно повлияли на разброс результатов усталостных испытаний образцов, изготовленных из опытных плавок стали.
• 3. Атмосферостойкая сталь марки 06ГНЗД является перспективной для изготовления пролетных строений мостов в труднодоступных регионах России, а также в районах с морским климатом. Более корректная оценка сопротивления усталости данной марки стали возможна на базе испытаний металлопроката, выпускаемого промышленным способом по отработанной технологии.

Список источников

1. Мосты из атмосферостойкой стали/ А.Д. Конюхов, А.К. Шуртаков, В.П. Харчевников, А.И. Шелест, Т.Н. Воробьева // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2011. № 4. С. 16-20.
2. Алексеева Е.Л. Оценка напряженно-деформированно
го состояния и растрескивания атмосферостойкой конструкционной стали методом акустоупругости / Е.Л. Алексеева, А.А. Альхименко, А.К. Беляев, А.М. Лобачев, В.А. Полянский, Т.Н. Ростовых, Д.А. Третьяков, Л.В. Штукин, Ю.А. Яковлев // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 12 (51). С. 33-44.
3. ГОСТ 6713—2021. Прокат из конструкционной стали для мостостроения. Технические условия. Введ. 15.03.2022. Изм. 20.09.2022. М.: Издательство стандартов, 2023. 24 с.
4. Разработка атмосферостойкой стали 06ГНЗМД для эксплуатации мостовых конструкций в условиях приморской зоны/ Г.А. Куницын, А.А. Придеин, О.В. Самохина, Д.В. Нижельский, Э.М. Гитман // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2021. Т. 77. № 7. С. 811-819.
5. ГОСТ 25.502—79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Введ. 01.01.1981. Изм. 01.07.1986. М.: Издательство стандартов, 2005. 25 с.
PROMISING GRADE OF STEEL FOR SPAN STRUCTURES OF BRIDGES
Kondratov Valery — Ph.D., Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University (PGUPS), Associate Professor of the Department of Bridges St. Petersburg, Russia, imostov@yandex.ru
Rumyantsev Yevgeny — Research Institute of Bridges and Defectoscopy, chief mechanic. St. Petersburg, Russia.
Rostovykh Grigory — Research Institute of Bridges and Defectoscopy (RIB), Leading Researcher. St. Petersburg, Russia, g@rostovykh.com
Abstract. The conducted studies of the used steel 14HGNDC revealed its low resistance to cracking in a hydrogen sulfide environment. An urgent problem is the search for new steel with low operating costs in the planned construction of a bridge across the Nevelskoy Strait. The article describes the results of cyclic mechanical loading of the main rolled metal and welded joints in the development of a new weatherproof steels 06GN3D.
Keywords: weatherproof steels, 14HGNDC, 06GN3D, welded joints, mechanical characteristics, cyclic mechanical loading.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК