Анализ причин аварий, вызванных дефектами сварных швов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «СК и СП»

РЕФЕРАТ

На тему: «Анализ причин аварий, вызванных дефектами сварных швов»

Екатеринбург 2017

Дефекты сварных швов - это различные несплошности в металле шва, ухудшающие его качество.

При оценке свариваемости стали исходят из того, что металл сварного шва должен быть сплошным. Соответственно, все образования, которые делают сварной шов неоднородным, считают дефектами.

Дефекты разделяют на группы:

· Микротрещины и макротрещины

· Непровары

· Поры

· Различные включения (пример: элементы шлака попавшие в сварочный шов)

По месту расположения дефекты сварочного шва разделяют на две группы:

· Наружные сварочные дефекты (подрезы шва, прожоги свариваемого металла, наплывы, наружные трещины, поры, неравномерная форма шва и другие дефекты, находящиеся на поверхности шва.)

· Внутренние сварочные дефекты ( неметаллические, шлаковые и оксидные включения, непровары, несплавление металла, внутренние поры и трещины,не выходящие на поверхность шва.)

Дефекты формирования шва

Проявляются в неравномерности формы шва и формируются из-за непостоянных режимов сварки, непостоянного зазора между свариваемыми элементами и неравномерного угла скоса кромок.

Причины:

Подобные дефекты возникают при неверной технике ручной дуговой сварки.

При автоматической сварке неравномерности формы шва возникают при проскальзывании сварочной проволоки в подающем механизме, при перепаде напряжения в сети и при попадании расплавленного металла в зазоры.

Непровар сварного шва

Причины:

· Небольшие зазоры между сварными кромками, при большом притуплении кромок.

· Наличие загрязнений.

· Неправильное положение электрода или сварочной проволоки относительно свариваемых кромок.

· Недостаточная сила сварочного тока

· Завышенная скорость сварки.

Непровары - одни из самых опасных дефектов для сварного соединения.

Подрезы сварных швов

Подрезы сварных швов формируются на поверхности соединения.

Подрезы - это углубления в основном металле, расположенном по краям сварного шва.

Причины: Увеличение ширины сварного шва и более интенсивное оплавление сварных кромок в результате выставления через чур большой силы сварного тока и большой длины электрической дуги.

Прожоги сварных швов

Прожог - сквозное проплавление основного или наплавленного металла.

Причины:

· Излишне большая сила сварного тока и малые скорости сварки.

· Большой зазор между свариваемыми кромками и их недостаточное притупление.

В большинстве случаев, прожоги получаются при сварке тонкого металла, а также при наплавке первого слоя многослойного шва.

Наплывы сварочных швов

Наплывы образуются при натекании расплавленного металла из жидкой металлической ванны сварного шва на холодный основной металл при сварке.

Кратеры сварных швов и усадочные раковины

Кратеры в сварных швах образуются в результате обрыва электрической дуги в результате окончания сварочных работ. Кратеры в сварных швах имеют вид углублений в застывшем металле. При автоматизированной сварке выполнение сварного шва заканчивают на выводной планке (металлическая подкладка) и кратер образуется на ней. При случайном обрыве электрической дуги в процессе сварки, получившийся кратер заплавляют.

Усадочными раковинами называют полости, которые появляются в результате усадки сварочной ванны при её затвердении. Появление усадочной раковины обусловлено уменьшением объема металла в сварной ванне при ее остывании.

Поры в сварных швах

Поры в сварных швах образуются в результате того, что при остывании сварного металла газы, присутствующие в сварном шве, не успевают выйти наружу и остаются в застывшем металле в виде пузырьков. Поры могут быть как внутренними сварными дефектами, так и наружными, выходящими на поверхность. Наружные поры называются свищами.

Причины:

· Присутствие ржавчины, окалины, масляных пленок и другие загрязнения на сварных кромках, на сварочной проволоке или на присадочных материалах.

· Применение влажных, не прокаленных электродов и флюсов, недостаточная чистота защитных газов и присутствие в ней вредных примесей.

· При большой скорости сварки, из-за чего газовая защита зоны сварки становится менее эффективной.

· Поры появляются при повышенном содержании углерода в составе свариваемого металла и при неверно подобранной марки сварочной проволоки.

Несплавления сварных швов

Несплавления в сварных швах возникают в том случае, если нет их проплавления с основным или ранее наплавленным металлом.

Причины:

· Плохая подготовка металла под сварку (плохая зачистка)

· Большая длина сварочной дуги

· Недостаточная сила сварочного тока

· Большая скорость выполнения сварочных работ

Шлаковые включения в сварочных швах

Шлаковые включения - неметаллические вещества, находящиеся в сварочном шве.

Причины:

· Наличие загрязнений на сварочных кромках(ржавчина, шлак и др)

· Маленькая сила сварочного тока

· Большая скорость сварки

Трещины в сварочных швах

Трещины представляют наибольшую опасность для сварного соединения.

Трещины могут относиться как к внутренним, так и к наружным дефектам. Часто трещины образуются при сварке высокоуглеродистых сталей, а также при сварке высоколегированных сталей.

Виды сварных трещин:

1) Горячие трещины. К ним относят микротрещины и макротрещины, которые образуются в зоне термического влияния во время охлаждения при высоких температурах (800-900).

2) Холодные трещины. Появляются после сварки, при температурах 200-300°C.

3) Отпускные трещины. Образуются после окончания сварки, во время последующей термообработки сварного соединения.

4) Ламелярные трещины. Образование таких трещин начинается при высоких температурах, с последующим развитием в холодном состоянии металла.

Классификация подобных дефектов сварочных соединений достаточно сложная задача, осложняется она тем, что зачастую выявленные трещины не являются трещинами какого-либо одного типа.

Существующие дефекты сварных швов по их форме можно разделить на два вида.

Это плоскостные дефекты и пространственные дефекты. К плоскостным дефектам относятся горячие и холодные трещины, непровары сварного шва.

К пространственным относятся различные шлаковые включения, поры, пузырьки от газов и все виды неправильно выполненного сварного шва( подрезы, прожоги, неверная форма, смещение, и. т.д)

Плоские дефекты сварного шва представляют наибольшую опасность для соединения.

Ни один из существующих способов сварки не обеспечивает гарантированного бездефектного сварного соединения без последующего исправления. Это объясняется тем, что на качество сварных соединений оказывают влияние многие факторы не только металлургического, но и технологического, а также организационного характера, задача регулирования и поддержания которых в необходимых пределах полностью не решена.

Благодаря разнообразию механических и эксплуатационных характеристик металл в современном мире является одним из наиболее распространенных и используемых материалов. Многообразие сплавов позволяет использовать его во всех промышленных отраслях, таких как строительство зданий и сооружений, двигателестроение, создание коммуникаций, путепроводов и т.д. Существует множество рекомендаций, ГОСТов, СНиПов и стандартов, которые определяют выбор металлов при производстве конкретных изделий. Не смотря на это, в СМИ часто можно встретить сообщения об авариях, происшествиях и катастрофах, связанных с разрушением или отказом металлических элементов конструкций. Более того, в строительной практике известны такие примеры, когда причиной аварии каменных, бетонных, деревянных и других конструкций были дефекты металлических элементов, входящих в общий конструктивный комплекс. Одной из основных причин аварий металлоконструкций являются аварии, наступающие вследствие хрупкого разрушения.

Хрупкое разрушение стали может иметь место:

· при работе конструкций в условиях низких температур;

· в случае применения материалов, подверженных хрупкому разрушению, при этом аварии могут иметь место и при нормальных температурах;

· при действии на конструкцию ударных и других видов динамических нагрузок;

· под влиянием различных дефектов в основном металле и сварных швах.

Анализ большого числа аварий и аварийных состояний конструкций позволяет прийти к выводу, что многие из них происходят в результате снеговой перегрузки, на которую при эксплуатации сооружений не обращают должного внимания. Принятые в свое время к эксплуатации сооружения, зачастую выполненные по типовым проектам, рассчитанные на усредненные, а не на реальные для каждого конкретного объекта нагрузки, продолжают эксплуатировать, не обращая внимания на несоответствие между проектными и реальными нагрузками. Дефекты, допущенные при изготовлении конструкции, не всегда сразу приводят к аварии. Часто даже грубые отступления от проекта и технических условий сказываются не сразу, а при неблагоприятном сочетании нескольких факторов. В свою очередь, внутренние дефекты материала неизбежно приводят к разрушению металла. Наличие концентраторов напряжений в виде внутренних дефектов, таких, как отверстия, прорези, трещины, поры, крупные неметаллические включения, расположенные в местах и на участках с высокими местными напряжениями и ориентированные поперек направления действующих растягивающих напряжений, могут привести к преждевременному разрушению элемента, и без должного контроля с помощью нормативных документов к разрушению всей конструкции.

Одной из характерных особенностей разрушения сварных конструкций является то, что трещина, зародившись в шве, переходит в околошовную зону или в основной металл. Причем, происходит это часто тогда, когда ударная вязкость металла шва или околошовной зоны значительно ниже ударной вязкости основного металла.

Результаты исследования Международного института сварки (IIW).

Статистическая характеристика факторов, указываемых среди причин аварии сварочный шов авария усадочный

Как видно из таблицы, наиболее часто встречается фактор № 10 -- пониженная ударная вязкость основного металла. Однако он фигурирует только в одном случае из каждых пяти аварий и не может считаться определяющим. Три следующих по частоте появ-ления фактора (№ 1 -- конструктивные концентраторы, № 11 -- остаточные напряжения, № 13 -- старение металла и его наклеп) появляются только в одном случае из 8-10 аварий. Остальные 12 факторов, перечисленных в таблице, встречаются гораздо реже; так, разрушения при высоком уровне напряжений (фактор № 8) стали причиной только 6% изученных аварий.

Но самый существенный вывод, полученный из этих исследо-ваний, заключается в том, что ни один из перечисленных факто-ров, взятый в отдельности, не приводил конструкцию в аварийное состояние. К аварии может привести только неблагоприятное со-четание двух и более факторов из перечисленных в таблице, тако-во заключение комиссии МИС.

Обрушение спортивного зала.

Анализу аварий стальных конструкций посвящены многочисленные статьи и монографии, но каждая авария, подтверждая общие закономерности, имеет свои индивидуальные особенности и дает исследователям и проектировщикам свои уроки, изучая которые можно в последующем избежать досадных ошибок в проектировании и строительстве стальных конструкций зданий и сооружений различного назначения.

Спортивный зал представлял собой одноэтажное однопролетное здание пролетом 30,0м, длиной 48,0м, с отметкой низа несущих конструкций покрытия 14,0м. Зал примыкал к кирпичному четырехэтажному зданию административных и бытовых помещений спортивного комплекса размерами 12,0Ч30,0м. Рамы были образованы из универсальных секций сплошностенчатого типа, имеющих длину 1,5, 1,8 и 3,0м. Авторами проекта было разработано четыре основных типоразмера секций - опорная, две рядовых и средняя. В поперечном сечении секции имели двутавровый профиль, пояса которого выполнены из холодногнутых стальных труб прямоугольного сечения с размерами 120Ч60Ч4мм, а стенка - из листовой стали толщиной 4мм. Все узлы соединения секций были выполнены на конических втулках, стянутых высокопрочными болтами класса 10.9 .

Крепление рам к фундаментам осуществлялось четырьмя анкерными болтами диаметром 24мм непосредственно к опорной плите базы толщиной 20мм. В средней части здания зала установлены вертикальные крестовые связи по колоннам из одиночных прокатных уголков 63Ч5мм.

Обрушение произошло в феврале при следующих атмосферных нагрузках: снеговая - 0,7кПа, ветровая - 0,12кПа, температура - минус 8єС (по данным метеостанции). В то же время расчетные нагрузки для района строительства значительно больше: снеговая - 1,74кПа, ветровая - 0,5кПа (с учетом нормативного срока службы здания). Изучение проектной документации, осмотр и замеры конструкций в натуре, химический анализ качества стали и поверочные расчеты стальных конструкций выявили ряд конструктивных ошибок и спорных моментов в проекте каркаса, а также в его реализации в процессе строительства. В частности, нижний пояс пролетной шпренгельной затяжки был выполнен на одиночных фасонках (Фасонка-- деталь в виде небольшой пластинки из листового металла, служащая для крепления различных металлических конструкций, например, в узле стержней решётки и пояса фермы) с разрывом уголков в узлах перегиба (без накладок) с недопустимо малым зазором (5-8мм) между сварными швами. В опорных узлах пояса шпренгельной затяжки отсутствовало центрирование элементов, пояс крепился к фасонкам с эксцентриситетом до 50мм. Недостаточно развитой была система связей каркаса: вертикальные связи по двухветвевым колоннам были выполнены одноветвевыми из одиночных уголков с креплением к стенке колонн толщиной 4мм, отсутствовали ветровая ферма по торцовой стене и распорки между рамами, обеспечивающие устойчивость каркаса в продольном направлении при монтаже и эксплуатации каркаса.

Кроме того, в узлах крепления затяжки к ригелю рамы были выявлены значительные перенапряжения сварных швов (576,3МПа при расчетном сопротивлении швов 180МПа) вследствие крепления затяжки с эксцентриситетом. Такая ситуация объясняется тем, что авторы проекта, используя один из апробированных вычислительных комплексов, некорректно представили пространственную систему для расчета каркаса.

Учитывая вышеприведенные данные и результаты осмотра конструкций спортивного зала после обрушения, была воспроизведена следующая картина разрушения каркаса. В момент аварии при фактически действовавших снеговой и ветровой нагрузках в монтажных сварных швах опорных фасонок шпренгельной затяжки рамы возникли усилия, которые превысили их несущую способность и вызвали разрушение швов. После отрыва одной из затяжек произошло резкое деформирование неподкрепленного ригеля и догружение через прогоны соседних рам, в которых лавинообразно произошло то же событие - разрушение значительно перегруженного опорного узла затяжки. Вследствие уменьшения жесткости пролетной части рам в них произошло перераспределение усилий с резким ростом карнизных моментов, что привело к разрушению накладок в карнизных узлах всех рам. В результате пролетная часть рам превратилась в изменяемую систему в виде трехшарнирного механизма, разрушение стало прогрессирующим. При этом некоторые опорные узлы рам разрушились с хрупким разрывом стенок колонн в местах концентрации напряжений. В этих узлах химический анализ выявил кипящую сталь Ст08кп. Рама, закрепленная за кирпичную стену, упала последней, сорвала часть парапета и вызвала разброс кирпичей на 8-10м от стены.

Таким образом, основной причиной аварии было разрушение узла крепления затяжки ригеля. При этом численный анализ пространственной работы каркаса свидетельствовал о возникновении прогрессирующего обрушения при отрыве одной из затяжек, поскольку при этом скачкообразно вырастают усилия в соседних рамах, а после разрыва 5-6 затяжек резко растут усилия в карнизных узлах и начинается разрушение рам. В данном случае, достаточно новая конструкция из унифицированных элементов была апробирована и испытана на малых пролетах (18м), а при применении данной конструкции на большом пролете 30м узел крепления затяжки как элемента жесткости и разгружающего пролетный момент нижнего пояса ригеля был проработан некачественно. Здесь имела место, прежде всего, проектная ошибка, усугубленная погрешностями изготовления (применение кипящих сталей) и монтажа - дефекты сварных швов монтажных узлов. В то же время равнопрочность основных несущих элементов и недостаточное развитие системы связей привели к прогрессирующему разрушению всего каркаса при первом же проявлении грубой ошибки.

Размещено на Allbest.ru