Виды отказов металлических конструкций и причины, их вызывающие

Ухудшение технического состояния конструкции в про­цессе эксплуатации зависит от совокупности внешних и внутренних факторов. Внешними являются механические и физико-химические воздействия (см. п. 1). К внутренним факторам относятся свойства материала, конфигура­ция и размеры конструкции, качество изготовления, накоп­ленные повреждения и пр. Неблагоприятное сочетание вне­шних и внутренних факторов создает условия для разви­тия в элементах конструкций процессов, которые могут привести к их отказу, т. е. нарушению эксплуатационной пригодности конструкции. Эти отказы делятся на внезап­ные, возникающие в результате процессов, которые разви­ваются за время, пренебрежимо малое по сравнению со сро­ком службы изделия, и постепенные, которые обусловлены медленным изменением состояния объекта за время, со­поставимое со сроком службы.

В большинстве случаев отказ формируется в результате нескольких одновременно протекающих процессов, харак­тер протекания и интенсивность которых зависит от сово­купности воздействий и свойств изделия. Так, развитие ус­талостного повреждения интенсифицируется в коррозион­ной среде, механический износ ускоряется в условиях низ­ких температур, хрупкому разрушению обычно предшествует усталостное повреждение и т. д. Далее кратко рассмотре­ны характерные особенности процессов и явлений, приво­дящих к отказам, и факторы, влияющие на их развитие.

1. Пластическая деформация весьма характерна для элементов сварных конструкций, которые, как правило, из­готавливают из пластичных сталей. Она возникает в тех случаях, когда материал находится в пластичном состоя­нии и напряжения в некоторой области конструкции до­стигают предела текучести. Пластические деформации в небольших объемах не опасны для конструкции. Так, мес­тная текучесть обычно происходит в сварных швах новой сварной конструкции при первых нагружениях. Пласти­ческие деформации могут возникать при перегрузках в зо­нах концентрации напряжений, при местных механических повреждениях тонкостенных элементов, в условиях мест­ного высокотемпературного воздействия и др. В этих слу­чаях нарушения несущей способности конструкции, как правило, не происходит. Однако такие повреждения вле­кут за собой искажение размеров и формы конструкции, снижение запаса пластичности материала в зоне текучес­ти. При больших

перегрузках пластическая зона охваты­вает значительную часть сечения, что приводит к недопус­тимым деформациям и потере несущей способности.

Для защиты от указанного повреждения выполняется проектировочный расчет на прочность, который позволяет выбрать такие размеры и материал конструкции, кото­рые обеспечат невозникновение чрезмерных пластических деформаций при заданном уровне эксплуатационных на­грузок (см. п. 3.3).

2. Хрупкое разрушение происходит при нагружении кон­струкции, если развитие пластических деформаций мате­риала затруднено. Этот вид разрушения заключается в быстром распространении трещины, зародившейся в об­ласти максимальных растягивающих напряжений. Фак­торами, затрудняющими пластическое деформирование и, соответственно, повышающими вероятность хрупкого раз­рушения, являются низкая температура, высокая скорость
нагружения (ударное нагружение), объемное напряженное состояние с тремя положительными компонентами, кото­рое характерно для зон высокой концентрации напряже­ний и сварных швов в элементах большой толщины.

Опас­ность хрупкого разрушения связана с тем, что оно может происходить при напряжениях, меньших предела текучес­ти, и приводить к внезапной потере несущей способности конструкции.

Для предупреждения возникновения хрупких тре­щин применяют определенные приемы конструирования и выбирают стали, сохраняющие пластичность при наименьшей допустимой эксплуатационной темпера­туре.

3. Усталостное повреждение постепенно накапливает­ся в процессе циклического нагружения в местах с боль­шой амплитудой изменения напряжений. Процесс устало­стного повреждения сначала проходит в скрытой форме, вплоть до образования начальной трещины. При дальней­шем нагружении происходят развитие трещины до кри­тического размера и полное разрушение детали. Наиболь­шее влияние на развитие усталостного повреждения ока­зывают амплитуда действующих напряжений, число цик­лов нагружения и концентрация напряжений.

Этот вид повреждения в большинстве случаев обуслов­ливает долговечность конструкции. Поэтому в основу нор­мирования режимов работы кранов положена модель раз­вития усталостного повреждения несущей конструкции. Сопротивление усталости обеспечивается пу­тем обоснованного выбора конфигурации и параметров конструкции и качественного изготовления.

4. Потеря устойчивости (общей и местной) представ­ляет собой искажение плоской или прямолинейной формы элемента конструкции под действием сжимающих на­пряжений, сопровождающееся существенным снижением его жесткости. Потере устойчивости подвержены сжатые стержни ферм, изгибаемые балки незамкнутого сечения и сжатые элементы тонкостенных конструкций. Этот вид от­каза происходит при перегрузках, часто внезапно, сопровож­дается снижением несущей способности элемента, и поэто­му может приводить к весьма тяжелым последствиям.

Для обеспечения устойчивости выполняют проверочный расчет потенциально опасных элементов и, при необходи­мости, корректируют их размеры или конструкцию.

5. Коррозионное повреждение — явление разрушения поверхности детали в результате химического или элект­рохимического взаимодействия материала со средой. Кор­розия приводит к снижению несущей способности конст­рукции за счет уменьшения сечения конструктивного эле­мента и образования трещин при развитии коррозии под напряжением и щелевой коррозии в условиях некоторых агрессивных сред, которые встречаются в промышленной атмосфере, а также способствует ускорению развития ус­талостного повреждения.

Скорость коррозии стальных конструкций с незащищен­ной горизонтальной поверхностью составляет в зави­симости от условий 0,02-0,20 мм/год с одной поверхности и в особо агрессивных условиях достигает 0,4-0,5 мм/год. Скорость коррозии возрастает в области контакта двух разнородных металлов, обладающих разными электричес­кими потенциалами (например, сталь и алюминий), в мес­тах действия значительных механических напряжений (в области концентрации напряжений), в местах, где скап­ливаются грязь и влага. Большую опасность представляет щелевая коррозия, которая происходит в местах постоян­ного контакта двух элементов конструкции (например, при нарушении герметичности болтовых и заклепочных соеди­нений). При этом продукты коррозии, имеющие больший объем, чем металл, из которого они образовались, распира­ют стык, что приводит к разрушению болтов и заклепок.

Основным способом защиты несущих конструкций от коррозии является применение защитных лакокрасочных покрытий. Поверхность металла перед покраской должна пройти пескоструйную или дробеструйную очистку. В обо­снованных случаях применяют цинковые покрытия. Кро­ме того, конструкция, предназначенная для работы в условиях агрессивных воздействий, должна быть спроектиро­вана так, чтобы на ней не было карманов и желобов, в которых скапливаются вода, пыль и грязь. Систематиза­ция коррозионных сред и пути защиты от коррозии рас­смотрены в работах. Как правило, значитель­ное коррозионное повреждение свидетельствует о низкой культуре эксплуатации машины.

Изнашивание — процесс постепенного изменения раз­меров и формы тела в результате удаления частиц мате­риала с его поверхности или его остаточной деформации при трении о другое тело. Износу подвержены шарнирные узлы конструкций, а также рельсы и направляющие, по которым передвигаются колеса кранов и тележек, опор­ные ролики и др. Этот вид отказа развивается постепенно и при правильном режиме эксплуатации может быть своевременно обнаружен и ликвидирован. Установлены нор­мы допустимого износа рельсов, направляющих, реборд, при достижении которого эксплуатация этих элементов долж­на быть прекращена. Снижению скорости развития этогоповреждения способствуют термообработка рельсов, повы­шение точности установки колес, применение боковых на­правляющих роликов и пр.

Чрезмерные (по величине или времени затухания) уп­ругие деформации (перемещения) несущих конструкций мо­гут приводить к нарушению работы расположенных на них механизмов, снижению производительности машины, а так­же оказывать вредное воздействие на самочувствие операто­ра. Этот вид нарушения работоспособности конструкции, как правило, является результатом ошибки, допущенной на ста­дии проектирования. Для защиты от него проводят расчет конструкции на жесткость и, при необходимости, увеличива­ют размеры сечений основных несущих элементов.

Отрицательный прогиб возникает в процессе длитель­ной эксплуатации пролетных строений кранов мостового типа. Это явление связано с релаксацией остаточных на­пряжений в сварных швах в результате многократных
нагружений балок, усадкой ремонтных сварных швов, вы­полняемых на верхнем поясе (например, при смене рельсов), ползучестью металла балок при длительном нахождении под нагрузкой и пр. Отрицательный прогиб пролетных
балок нарушает работу тележки на мосту и свидетельству­ет о снижении запаса пластичности материала балки.

Деградация свойств стали происходит в процессе дли­тельной эксплуатации в составе конструкции. Со временем основные механические характеристики стали (вре­менное сопротивление и предел текучести) практически не изменяются, но снижаются ее пластичность и сопротивле­ние хрупкому разрушению. Это связано с процесса­ми деформационного старения, которые происходят в свар­ных соединениях и местах пластической деформации ме­талла в процессе гибки, гильотинной резки и пр., а также в зонах механических повреждений, полученных в процессе эксплуатации. Снижение пластичности стали повышает риск хрупкого разрушения при отрицательных темпера­турах.

Для снижения или исключения эффекта деформацион­ного старения используют легирование сталей марганцем и никелем, а также микролегирование нитридо- и карбидообразующими элементами. Современные стали, используе­мые для несущих конструкций, контролируются на склон­ность к деформационному старению, но стали, встречаю­щиеся в старых конструкциях, могут быть в значитель­ной степени подвержены старению.

В зависимости от типа и назначения машины, условий и режима ее эксплуатации в конструкции могут произой­ти отказы, вызванные теми или иными процессами, рас­смотренными выше. При проектировании конструкции не­обходимо на основании накопленного опыта и анализа ус­ловий эксплуатации выбрать все возможные виды повреж­дений и предпринять меры по защите конструкции от них.