Стальной прокат и трубы
Основным материалом, используемым для изготовления сварных конструкций, является сталь. По содержанию углерода С стали подразделяются на низкоуглеродистые (0,09-0,25 %), среднеуглеродистые (0,25-0,46 %) и высокоуглеродистые (0,46-0,75 %). Применение низкоуглеродистых сталей характерно для строительных конструкций и трубопроводов, среднеуглеродистых - для машиностроения, высокоуглеродистая сталь - инструментальная.
Для придания сталям различных служебных свойств в их состав добавляют различные легирующие примеси, при этом стали называют легированными. По количеству легирующих примесей они подразделяются на низколегированные, с содержанием легирующих элементов в сумме 1,8-2,5%, среднелегированные (2,5-8%) и высоколегированные (свыше 8%). В строительных металлических конструкциях используют низколегированные стали, в трубопроводах - все группы легированных сталей.
В сварных металлических конструкциях применяют прокат стали - горячекатаные и гнутые профили. Наибольший удельный вес при изготовлении сварных конструкций имеет листовой прокат. Листовой прокат разделяется на тонкий (до 4 мм) и толстый (4 мм и выше). При изготовлении металлоконструкций применяют гнутые фасонные профили, например оконные для промышленных оконных переплетов.
Стальной прокат изготавливается из различных марок стали. Наиболее широко в строительных конструкциях применяют углеродистую сталь обыкновенного качества. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств сталь подразделяется на три группы: А - по механическим свойствам; Б - по химическому составу; В - по механическим свойствам и химическому составу.
По химическому составу сталь группы В должна соответствовать нормам, указанным для стали группы Б, за исключением нижнего предела для углерода.
По степени раскисления при выплавке стали разделяются на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойными называют стали, раскисленные добавлением кремния и алюминия, остывающие в изложницах, без интенсивного выделения газов. Спокойные стали обладают более стабильными свойствами, поэтому их применяют в ответственных конструкциях. Полуспокойные стали занимают промежуточное положение и по механическим свойствам ближе к спокойным сталям. Кипящие стали имеют неоднородный состав, склонны к хрупким разрушениям и обозначаются путем добавления соответствующих букв в марке стали: для кипящих «кп», для спокойных - «сп» и для полуспокойных - «пс».
Сталь, поставляемая по группе В, подразделяется на 6 категорий в зависимости от нормируемых показателей и различается по ударной вязкости. Основными нормируемыми показателями для всех марок стали являются: временное сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение, сопротивление изгибу в холодном состоянии, химический состав. Кроме того, ударная вязкость нормируется для 3-й категории, при температуре 20 °С; для 4-й категории - при -20 °С; для 5-й категории - при -20 °С и после механического старения, а для 6-й - после механического старения.
В строительных конструкциях из низколегированных сталей используют термически упрочненную сталь и сталь углеродистую качественную конструкционную.
Для ответственных металлоконструкций, а также для арматуры железобетона используются легированные стали. В сварных конструкциях применяют низколегированную толстолистовую сталь и широкополосную универсальную. Указанную сталь поставляют по 15 категориям. Для всех категорий нормируются механические свойства при растяжении и сопротивлении изгибу в холодном состоянии. По показателям ударной вязкости для различных категорий нормируют температуру испытаний и механическое старение. Так, ударная вязкость гарантируется: для 3-й категории - при температуре 20 °С; для 8-й - при -60 °С; для 15-й - при -70°С после механического старения.
В мостостроении применяют стали, по которым предусматривается гарантия свариваемости, а также поставка по трем категориям в зависимости от термообработки.
Для армирования железобетонных конструкций предназначена горячекатаная сталь круглого гладкого и периодического профиля и в виде арматурных стержней, термически упрочненная. Арматурные стали не используют, как правило, в строительных металлоконструкциях, однако некоторые организации выполняют большой объем сварочных работ на монтаже конструкций из сборного железобетона, где широко применяют указанные стали.
В машиностроительных сварных конструкциях кроме сталей, перечисленных выше, широкое применение находят также легированные конструкционные стали и стали высоколегированные и сплавы коррознонно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Легированные конструкционные стали, как правило, имеют высокие показатели прочности, временное сопротивление разрыву не ниже 70-90 МПа, достигая в отдельных случаях 1450-1650 МПа после термической обработки. Марганец, кремний, хром, никель, молибден или ванадий могут служить единственной легирующей добавкой, а также в смеси друг с другом. Поэтому эти стали называются хромистыми, марганцовистыми, хромокремнистыми, хромомолибденованадиевыми, хромоникельмолибденованадиевыми и т. д.
Стали, применяемые в строительных конструкциях, подразделяют на условные классы вне зависимости от их химического состава и марки стали, принимая во внимание только их механические свойства при растяжении.
К высоколегированным сталям относятся сплавы, в которых содержание железа составляет более 45%, а суммарное содержание легирующих элементов не менее 10 %. Указанные стали и сплавы подразделяют на коррозионно-стойкие (кислотостойкие, нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные. Первые имеют стойкость против различных видов коррозии, вторые устойчивы против химического разрушения при температурах выше 550 °С в газовой среде в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, третьи обеспечивают прочность при высоких температурах и нагрузках, сохраняя при этом жаростойкость.
Легированные стали в зависимости от структуры металла делятся на несколько классов: мартенситные, имеющие в основе мартенситную структуру; мартенситно-ферритные, в которых кроме мартенсита содержится не менее 10 % феррита; ферритные, имеющие структуру феррита; аустенито-мартенситные - стали со структурой аустенита и мартенсита, число которых зависит от химического состава и термической обработки; аустенито-ферритные, в которых кроме аустенита содержится более 10% феррита, и аустенитные - со структурой аустенита.
Углеродистые и низколегированные стали могут также относиться к перлитному и перлитоферритному классам.
Сталь прокатную угловую равнополочную изготовляют из углеродистой и низколегированной сталей. Условное обозначение (пример): 100X100X7, где 100 - ширина полки в мм, а 7 - средняя толщина в мм.
Сталь прокатная неравнополочная отличается от предыдущей разными размерами полок. Условное обозначение - 125Х80Х10.
Двутавровые балки имеют небольшую по сравнению со стенкой полку. У двутавров при сравнительно небольших площадях поперечного сечения большие моменты инерции. Двутавры различаются по номерам, которые определяют его высоту, так № 18 означает, что высота двутавра равна 180 мм.
Более экономичными являются широкополочные двутавры. Условное обозначение: 4ОШ2, означает, что высота балки 400 мм, что она широкополочная второго типа (тип балки отличается шириной и толщиной полки).
Швеллеры выпускают с параллельными гранями и с гранями, имеющими уклон, номер швеллера обозначает его высоту в мм.
Листовой прокат обозначается: 1550X6000X5 мм (ширина Х длина Х толщина).
Гнутые профили изготовляются из горячекатаной и холоднокатаной отожженной листовой ленточной и полосовой стали как обыкновенного качества, так и низколегированной. Применяемые в строительных конструкциях гнутые профили могут иметь замкнутый и открытый профиль. Замкнутые гнутые профили могут быть квадратными или прямоугольными. Условные обозначения: 120X120X5 - профиль гнутый замкнутый сварной квадратный, сторона квадрата 120 мм, толщина металла 5 мм; 120X80X4 - профиль прямоугольный со сторонами 120 и 80 мм и толщиной стенки 4 мм. Открытый гнутый С-образный равнополочный профиль обозначается: 460X160X60X4, где 460 - высота профиля, 160 - ширина полки, 60 - размер, 4 - толщина металла в мм. Гнутый швеллер обозначается: 120Х60Х5 мм (высота полки Х ширина полки Х толщина металла).
С учетом различных марок сталей, которые могут быть использованы при изготовлении проката, а также количества его типоразмеров в соответствии со стандартами, общее число так называемых типосортопрофилеразмеров достигает более 10 тыс. Если при проектировании применять все типоразмеры, то это затруднит заказ металла, его комплектацию и изготовление конструкций. Поэтому в целях унификации применяемых в различных конструктивных элементах марок сталей и типоразмеров профилей введен в действие сокращенный сортамент металлопроката. В конечном итоге, в результате применения сокращенного сортамента, количество применяемых типосортопрофилеразмеров сокращено до 756.
Одним из основных видов материалов, применяемых в сварных конструкциях, являются трубы. Трубы обычно используют для изготовления и монтажа трубопроводов различного назначения, в сборочных единицах и элементах машиностроительных конструкций, в первую очередь в химическом и энергетическом оборудовании, а также небольшим числом в строительных конструкциях.
Разнообразие физико-химических свойств и рабочих параметров (давление, температура) транспортируемых по трубопроводам продуктов приводит к использованию в трубопроводах металлических и неметаллических труб, изготовленных различными способами из разных материалов. Основной материал для изготовления труб - сталь.
По способу изготовления стальные трубы могут быть бесшовными (горяче- и холоднодеформированиыми) и сварными. Сварные трубы получают из специально прокатанной листовой стали путем ее формирования и сварки различными способами (электродуговой под флюсом, контактной, печной и др.). По способу формования и сварки эти трубы могут быть прямошовные, спиральные и водогазопроводные. При изготовлении и монтаже трубопроводов применяется большое число типоразмеров труб, изготовленных из разных марок сталей, поэтому, по аналогии с металлопрокатом, в целях упрощения процесса проектирования, комплектации и изготовления разрабатывают и применяют ограничительные сортаменты труб (например, для технологических трубопроводов). Внедрение ограничительных сортаментов способствует организации массового изготовления деталей трубопроводов и приводит в конечном итоге к значительному экономическому эффекту.
Трубы обозначают двумя размерами - величиной наружного диаметра и толщиной стенки в мм, например 219X8 или 57X3,5 и т. д. Один из основных параметров, определяющих условия работы трубопровода, - давление транспортируемой среды, которое является основой для расчета трубопровода на прочность. Введено понятие условного давления - наибольшее избыточное давление при температуре продукта или окружающей среды 20°С, при котором допустима длительная работа арматуры и соединительных частей трубопроводов, имеющих заданные размеры, обоснованные расчетом на прочность.
Основными видами трубопроводов являются технологические трубопроводы и трубопроводы пара и горячей воды. По технологии изготовления и монтажа эти трубопроводы мало чем отличаются друг от друга. Однако имеют разные требования к трубам и расчету на прочность.
Требования к трубам для трубопроводов пара и горячей воды регламентированы Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды. С целью гарантии прочности каждая труба, предназначенная для указанных трубопроводов, должна подвергаться гидравлическому испытанию на заводе-изготовителе, а электросварные трубы 100%-ному контролю сварных швов неразрушающими физическими методами контроля и выборочному испытанию механических свойств их сварных соединений (от каждой партии труб).
Химический состав труб должен соответствовать нормам соответствующих нормативных документов. Особые требования качества предъявляются к трубам, предназначенным для использования на паропроводах I категории.
Прочность сварных конструкций зависит от прочности их сварных соединений, сварных швов, выполненных тем или другим способом сварки, т. е. в определенной, и немалой, степени от свойств применяемых сварочных материалов.
При большом разнообразии способов и видов сварки, применяемых при изготовлении и монтаже сварных конструкций преимущество за электродуговыми способами. При изготовлении строительных металлоконструкций и трубопроводов в заводских или стендовых (полигонных) условиях используют преимущественно механизированную сварку в защитных газах (углекислом, аргоне или в их смеси) и автоматизированную сварку под флюсом. Ручную электродуговую сварку применяют в основном при укрупнении элементов трубопроводов в сборочные единицы.
Что касается сварочных процессов при монтаже сварных конструкций, то доминирующим способом является ручная электродуговая сварка покрытыми электродами и в небольшом объеме сварка под флюсом и в защитных газах. Таким образом, используют преимущественно три способа сварки: ручную электродуговую, механизированную в защитных газах (в основном углекислом) и автоматизированную под флюсом. Другие способы сварки встречаются эпизодически. Например, электрошлаковая - при сварке кожухов крупных доменных цехов, ручная газовая - при сварке технологических трубопроводов малого диаметра, самозащитной порошковой проволокой, электроконтактная стыковая - при изготовлении арматурных сеток железобетона и т. д.
Плавящиеся металлические электроды для ручной дуговой сварки классифицируют по назначению, виду покрытия и свойствам металла шва. Систематизация электродов регламентируется ГОСТ в следующем порядке: по назначению, толщине покрытия, качеству изготовления и видам покрытия, по допустимым пространственным положениям сварки, по роду и полярности тока. В зависимости от принадлежности электродов к той или другой классификационной категории они маркируются при помощи особых условных обозначений:
1. По назначению: «У» - для сварки углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву до 600 МПа; «Л» - для сварки легированных сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа; «Т» - для сварки легированных теплоустойчивых сталей; «В» - для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами;
2. По толщине покрытия: «М» - тонкое; «С» - среднее; «Д» - толстое; «Г» - особо толстое.
В зависимости от качества изготовления, состояния поверхности покрытия, порообразования в шве, содержания серы и фосфора в наплавленном металле, электроды подразделяются на 1-ю, 2-ю и 3-ю группы.
3. По видам покрытия: «А» - кислое; «Б» - основное; «Ц» - целлюлозное; «Р» - рутиловое; соответствующее двойное обозначение - смешанное; «П» - прочее.
4. 1 - по допустимым пространственным положениям сварки: для всех положений; 2 - для всех положений, кроме вертикального сверху вниз; 3 - для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх; 4 - для нижнего.
5. По роду тока, полярности постоянного тока и номинального напряжения холостого хода: 0; 3; 6; 9 - для обратной полярности, 2; 5; 8 - в зависимости от напряжения холостого хода; для прямой полярности, 1; 4; 7 - для любой.
В зависимости от химического состава и от механических свойств наплавленного металла сварного соединения электроды подразделяются на типы в соответствии с ГОСТ. По получаемым механическим свойствам наплавленного металла и сварного соединения можно оценить и отнести к соответствующему типу также электроды, полученные механизированными и автоматизированными видами электродуговой сварки.
В зависимости от состава покрытия существует много марок электродов, относящихся по свойствам наплавленного ими металла к различным типам.
Первые три марки изготавливаются серийно. Естественно, что в случае необходимости используются и другие марки электродов, однако их удельный вес в общем количестве крайне невелик.
Достаточно ограничен и сортамент применяемых сварочных материалов в случаях механизированных и автоматизированных способов сварки. При сварке конструкций и трубопроводов в защитных газах применяется преимущественно сварочная проволока марки Св-08Г2С, при сварке под флюсом - Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2 и Св-10НМА, а при механизированной сварке самозащитные порошковые проволоки СП-2, СП-3, ППТ-9, ПП-11 и др. Указанные сварочные проволоки обеспечивают необходимую прочность сварных соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей.
Цветные металлы, их сплавы. Пластмассы
В сварных конструкциях, встречающихся в строительстве, цветные металлы и их сплавы играют второстепенную роль и используются в тех случаях, когда применение стали либо невозможно, либо экономически целесообразно. Чаще всего применяют алюминиевые и титановые сплавы, а также медь и ее сплавы. В строительных конструкциях применяются сплавы на основе алюминия и титана, которые обладают значительно меньшей, чем сталь, плотностью, а также сохраняют высокую работоспособность при низких температурах. Недостатком этих материалов является их низкий модуль упругости, а следовательно, низкая устойчивость и высокая деформируемость элементов конструкций, изготовленных из этих сплавов, по сравнению с остальными. Кроме того, цветные сплавы обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений по сравнению со сталями обыкновенного качества. Медь и ее сплавы в строительстве используются для трубопроводов и электротехнических конструкций (кабели, шинопроводы и токопроводы).
Как известно, алюминиевые сплавы подразделяются на литейные - (недеформируемые) и деформируемые, которые и применяются в сварных конструкциях.
Пределы прочности и текучести, а также пластичность алюминиевых сплавов с понижением температуры повышаются, а с повышением - резко снижаются. Сплавы, легированные цинком и магнием, имеют хорошую свариваемость. Титановые сплавы имеют низкую плотность (около 4500 кг/м3).
Алюминиевые сплавы для изготовления строительных конструкций поставляют в виде листов или прессованных профилей различной конфигурации, изготовляемых непосредственно на заводах алюминиевых конструкций. Для трубопроводов поставляют бесшовные трубы диаметром до 180 мм и толщиной стенки до 10 мм. Сварные трубы из листового металла изготовляются диаметром 108-1012 мм и толщиной стенки до 6 мм.
Титановые сплавы имеют низкую плотность (около 4500 кг/м3) и высокие показатели механических свойств. Так, пределы прочности и текучести достигают величины свыше 1000 МПа, а их соотношение составляет 0,75-0,95. Соответственно высокими являются прочностные показатели сварных соединений по отношению к аналогичным показателям основного металла (0,8-1). Положительным свойством титановых сплавов является высокая коррозионная стойкость. Однако следует учитывать, что конструкции из титановых сплавов очень чувствительны к концентраторам напряжений. Титановые сплавы поставляют в виде листов, гнутых профилей и труб - бесшовных диаметром до 325 мм и толщиной стенки до 30 мм и сварных диаметром 38-102 мм и толщиной стенки 1,5-2 мм.
Медь и ее сплавы поставляют в виде листов или в виде труб. Медные трубы могут быть бесшовными (тянутыми или катаными) диаметром до 360 мм и толщиной стенки до 10 мм, прессованными (диаметром до 300 мм) и сварными из листовой меди толщиной до 5 мм диаметром 410-510 мм. Латунные трубопроводы изготовляются из бесшовных труб размером до 100X10, а также из сварных труб из листовой латуни толщиной до 6 мм диаметром 103-1012 мм.
Из года в год в строительстве увеличивается применение пластических масс. Они находят широкое применение в виде отделочных, теплоизоляционных и санитарно-технических материалов различной фурнитуры и электроустановочных изделий, а также основных материалов для изготовления сварных конструкций. В этом качестве пластические массы применяют в основном в виде трубопроводов различного назначения, а также химической аппаратуры, преимущественно емкостной.
Для изготовления сварных конструкций применяют термопластичные полимеры (термопласты), которые хорошо соединяются сваркой.
Пластмассовые трубы имеют ряд преимуществ перед металлическими: небольшая плотность; высокая коррозионная стойкость; относительно низкие значения гидравлического сопротивления, снижающие энергетические потери при эксплуатации трубопроводов; повышение производительности труда при изготовлении и особенно монтаже. Вместе с тем они не свободны и от недостатков: сравнительно невысокие прочностные показатели, снижающиеся к тому же при повышении температуры; низкая морозостойкость полиэтилена, полистирола и поливинилхлорида; склонность к старению. Однако, несмотря на указанные недостатки, пластмассы успешно вытесняют металлические трубопроводы, работающие под давлением до 1 МПа и температуре до 50-100°С.
Трубы и детали из термопластов имеют размеры по наружному диаметру 10-630 мм, причем наружный диаметр не меняется с толщиной стенок. Трубы из полиэтилена в зависимости от рабочего давления выпускают четырех типов: легкий (на давление до 0,25 МПа), среднелегкий (до 0,4 МПа), средний (до 0,6 МПа) и тяжелый (до 1 МПа). Из полипропилена изготовляют трубы легкого, среднего и тяжелого типов, а из поливинилхлорида - среднего и тяжелого.
Основные области применения различных материалов в сварных конструкциях, применяемых в строительстве.
В каркасах промышленных зданий в зависимости от характера нагрузок, условий эксплуатации и назначения применяют конструкционные низкоуглеродистые и низколегированные стали. Вертикальные цилиндрические резервуары и газгольдеры изготовляют из низколегированных и низкоуглеродистых сталей, причем чем больше емкость резервуаров, тем выше доля низколегированных сталей повышенной и высокой прочности.
Изотермические резервуары изготовляют из легированных сталей различных классов. Марки стали назначают в зависимости от рабочей температуры и емкости резервуара - от низколегированных до средне- и высоколегированных. Для этих целей могут быть использованы также алюминиевые сплавы.
Обслуживающие и ограждающие конструкции выполняют, как правило, из низколегированных сталей, а также из алюминиевых сплавов (конструкции типа «сэндвич», подвесные потолки, профилированный настил).
При изготовлении и монтаже трубопроводов применяют практически все типы и классы сталей, сплавы цветных металлов, перечисленных выше, и никеля, молибдена, свинца, а также пластические массы. Поэтому при сварке трубопроводов требуется наивысшая квалификация рабочих, инженеров и техников.
Такой же широкий диапазон материалов используют при изготовлении сварных конструкций в машиностроении. Когда такие конструкции по своим размерам могут быть собраны и сварены только на месте монтажа (например, шаровые резервуары), эти работы зачастую выполняют монтажные организации.