В рамках форума «Дорожное строительство в России: мосты и мостовые сооружения» специалисты обсудили результаты исследований марок стали по ГОСТ 6713-2021, новые разработки и проблемы сварных конструкций
В рамках форума «Дорожное строительство в России: мосты и мостовые сооружения» в Санкт-Петербурге в сентябре мостовое сообщество обсудило актуальные вопросы в сфере стального мостостроения. Особенно активно обсуждалась тема нового ГОСТ 6713-2021. Подробнее – в материале «ДорИнфо».
Документ введен в действие с 15 марта 2022 приказом Росстандарта взамен ГОСТ 6713-91, при этом одновременно отменен массово применяемый ГОСТ Р 55374-2012. Однако, по словам докладчиков, из-за резкого принятия нового стандарта стали возникать трудности на рынке. Поэтому предыдущий стандарт, ГОСТ 55374-2012, неоднократно продлевали. Это говорит о серьезных опасениях в отрасли относительно качества нового стандарта и качества проката стали по нему, считают участники конференции.
Основные отличия новых требований: расширенная поставка проката для второй и третьей категорий в термомеханическом обработанном состоянии после контролируемой прокатки (КП), КП с ускоренным охлаждением, в состоянии отжига, отпуска, нормализующей прокатки и закалки с прокатного нагрева. Кроме того, установлен новый класс прочности для стали 14 ХГНДЦ – С390, обязательными стали использование бора для микролегирования стали 10 ХСНД, а также расширение сортамента толстолистового проката до 110 мм.
В рамках сессии вопрос рассмотрели с разных сторон. Специалисты обсудили результаты испытаний проката, выпущенного с применением метода контролируемой прокатки по ГОСТ 6713-2021, рассмотрели результаты научных исследований стали класса прочности С460 и С690, представили перспективные марки сталей и новые разработки, новые виды арматуры, а также обсудили особенности производства металлопроката.
«Тематика стального мостостроения является наиболее актуальной на сегодняшний день, потому как сталь – один из самых востребованных материалов на рынке. И благодаря металлургам и металлургическим компаниям, мы можем похвастаться такими успехами наших крупных инфраструктурных проектов»
Испытания марок стали по ГОСТу: термическая и термомеханическая обработка
Для оценки качества новых требований, многие компании провели собственные испытания некоторых марок стали. Так, АО «ОМК» провело испытание листового проката из стали марки 10 ХСНД по ГОСТ 6713-2021 в термомеханическом обработанном состоянии после контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. В рамках испытаний использовались листовые прокаты толщиной 16, 32 и 40 мм испытуемой марки. Работы разделили на шесть этапов. Специалисты провели испытания механических и технологических свойств марки, химический анализ, исследование фрикционных, фрикционно-срезных и фланцевых соединений, а также определение параметров болтовых соединений, исследование микроструктуры, комплексное исследование сварных изделий и испытание на выносливость опытных образцов элементов конструкции.
«Анализ всех результатов проведенных испытаний показывает, что толстолистовой прокат из стали марки 1ОХСНД класса прочности С390 в термомеханическом обработанном состоянии после контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением производства АО «ВМЗ» в соответствии с программой квалификационных испытаний удовлетворяет требованиям»
Преимуществами проката в термомеханическом обработанном состоянии докладчик назвал низкую себестоимость проката за счет энергоемкого процесса производства и, как следствие, снижение стоимости проекта, сокращение периода производства металлоконструкции, а также низкую вероятность срыва сроков поставок благодаря расширенному списку потенциальных поставщиков. Представители компании считают, что применение технологии термомеханической обработки позволит быстрее разработать и освоить новые высокопрочные марки стали классов прочности С420, С460, С500 для мостостроения. Термическую обработку докладчик считает консервативным подходом в технически доступных условиях.
Именно возможности термической обработки в рамках анализа применения в мостостроении проката по ГОСТ 6712-2021 рассмотрели в АО «Уральская сталь».
«В рамках оценки возможности применения контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением при производстве стали по ГОСТ 6713-2021 произвели опытные партии проката толщиной 20 мм для последующего изучения механических свойств и микроструктуры металла. Режим производства подбирали таким образом, чтобы иметь максимально близкие прочностные характеристики проката при наибольшей ударной вязкости»
Результаты испытаний показали, что получение заданных ГОСТом прочностных свойств на одном и том же химическом составе с использованием как термической, так и термомеханической обработки не вызывает трудностей на современном прокатном оборудовании. По словам докладчика, прокат произведенный с помощью термообработки, обладает высокой ударной вязкостью. Результаты этих испытаний также подтвердили в НИТУ МИСиС.
Кроме того, марки метала направили в профильную организацию. Исследования, проведенные в условиях АО ЦНИИТС, образцов проката, произведенного по различным технологиям, показали, что прочностные свойства и ударная вязкость в обоих состояниях прокатки соответствуют требованиям ГОСТ 6713-2021.
Испытания на выносливость стандартных образцов проката (14 и 10 ХСНД) показали, что предел выносливости у металлопроката в состоянии поставки закалка с отпуском на 8 % выше, чем у металлопроката в состоянии поставки контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением. Испытания на остаточные напряжения после сварки показали увеличение уровня остаточных напряжений в прокате после контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением относительно проката после закалки с отпуском. Результаты испытаний распространяются только на 1 из 8 внедренных марок, толщиной 10-16 мм, 25-32 мм и 40 мм.
По словам докладчика, показатели испытаний не позволяют с уверенностью гарантировать надежность и долговечность мостовых металлоконструкций, изготовленных из проката по новому ГОСТ 6713-2021.
«В связи с этим необходимо отменить ограничение на действие ГОСТ 55374-2012 для применения проката по нему в текущих и будущих проектах стальных мостов, а также отменить действие ГОСТ 6713-2021. Важно разработать понятную программу или методику, согласованную как с производителями, так и с потребителями проката, для того, чтобы все понимали условия игры и проводили испытания, прежде чем выводить свой продукт на рынок»
Исследования влияния термической и термомеханической обработки на структуру и механические свойства листового проката из стали 10ХСНД для мостостроения также провели в ИМЕТ РАН. Испытания показали, что более предпочтительной является структура стали после термической обработки. Применение технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, считает докладчик, приводит к появлению анизотропии и снижению значений ударной вязкости, предела выносливости и трещиностойкости стали 10ХСНД.
«Результаты показали, что при контроле качества толстолистового проката сталей для мостовых конструкций, методы испытаний и оценки результатов, регламентированные новым ГОСТом, не позволяют произвести достоверную оценку надежности толстолистового проката стали 10ХСНД, произведенного с применением контролируемой прокатки без термической обработки»
Инновации по ГОСТ
Новый ГОСТ предполагает использование мостовым сообществом новых марок стали. Некоторые компании разрабатывают и внедряют продукт с указанными марками в собственном производстве. Так в ООО «ЕВРАЗ ТК» поделились опытом применения разработанных в компании двутавровых балок. Двутавр компании применялся для строительства надземного пешеходного переход в Реутове Московской области. Длина перехода – более 118 метров. Проект прошел весь жизненный цикл за один год.
По словам докладчика, с появлением двутавров и уголков из мостовой стали трудоемкость конструкции кратно уменьшилась.
«Если бы работа производилась классическим методом, который подразумевает сварку конструкции, образовалось бы более 2 км сварных швов. С применением двутавровых балок количество сварки уменьшилось в шесть раз. Такие балки обладают повышенной прочностью и способностью выдерживать нагрузки в течении длительного времени»
Кроме того, специалист рассказал об использовании в малых мостах атмосферостойкой марки стали 14 ХГНДЦ. Сталь данной марки использовалась при строительстве мостов через реки Хима и Пукса в Плесецком районе Архангельской области. По словам специалиста, именно вышеуказанная марка обладает самой низкой рыночной стоимостью. Для подтверждения этого в компании сравнили три варианта мостовых сооружений: из прокатных двутавровых металлических балок из стали 14ХГНДЦУ, сварных двутавровых балок из стали 15ХСНД и из дощато-гвоздевых ферм. Первое проектное решение показало самую низкую рыночную стоимость для строительства малых мостов. В компании также планируют провести испытания в процессе эксплуатации.
Также компания представила модульные решения для сталежелезобетонных пролетов. Все конструкции балок в таком случае делаются длинной 6-9 метров.
«Такие решения применяются для устройства пролетных строений, расположенных в плане на прямой, на продольном профиле под уклоном или на выпуклой вертикальной кривой, для эксплуатации во всех климатических зонах. Такие конструкции также могут располагаться на территории с шестибалльной сейсмической активностью»
Проектное решение предлагает 2 типа исполнения мостового сооружения, 9 габаритов, 15 пролетных схем, что дает, по словам докладчика, 270 вариантов, в которых продуманы марки стали и сроки выполнения работ. Типовое решение можно собрать в цифровом виде.
Сварные швы – слабое место стальных мостов
Несмотря на то, что скомпенсированная сварочная усадка – одна из хорошо изученных областей, вопросы о проблемах, связанных с ней, все же часто поднимаются в мостовом сообществе.
«Мы как авторы проектов видим системные отклонения собранных пролетов от, собственно, проектов. Подозреваем, что эти системные отклонения вызваны преимущественно не до конца учтенной и скомпенсированной сварочной усадкой»
Согласно докладу, сварной шов при охлаждении испытывает деформации, например, линейную и угловую, что приводит к более глобальным деформациям собранного пролетного строения. При сварке цельносварного стыка сварные швы, стенки и вставки верхнего пояса дают усадку и задают угловое смещение, которое приводит к подъему стыкуемого блока на определенную величину.
«Вне зависимости от методов, которые применяют для компенсации, мы все равно видим недостаточно скомпенсированную сварочную усадку. Мы наблюдаем, что, если освободить собранное пролетное строение от лишних связей, превратив его в статичную систему, то происходит отклонение от проектных нормативов всегда выпуклостью вниз за счет элементарных поворотов в стыках блоков примерно на одинаковую величину»
В пример докладчик приводит мост через Волгу в Самарской области. При надвижке специалисты заметили значительное отклонения от проектной геометрии после проведения сварочной усадки. В результате, вместо того, чтобы опереться на накаченную балку, консоль некоторое время двигалась вперед, что привело к напряжению в корне конструкции. В итоге точка напряжения сильно сместилась.
«Таким образом, эффекты некомпенсированной сварочной усадки есть вне зависимости от методов стыков. Эти эффекты проявляются на монтаже и при эксплуатации в виде отклонений, порой существенных, фактической геометрии от проекта, дополнительных усилиях, напряжениях и реакциях опор»
Для решения этих проблем специалисты предлагают работать над методами компенсации сварочной усадки спецорганизациям и проектным организациям, учитывать сварочные усадки в виде дополнительной кривизны пролета на всех этапах расчета, а также ввести нагрузку от сварочной усадки и проводить дополнительные научные исследования.
Почему ГОСТ 6713-2021 хотят отменить
ГОСТ 6713-2021 заявлен как стандарт, открытый для новых технологий и дальнейшего развития металлургии. Однако многие участники конференции настаивают на его отмене, поскольку стандарт не содержит регулирующих рамок, гарантированно обеспечивающих нормативные требования в мостостроении.
«Сегодня позиция технического комитета, совпадающая, к счастью, с позицией Федерального дорожного агентства и Министерства транспорта России такая: необходимо с 1 января 2024 года прекратить действие ГОСТ 6713 и бессрочно продлить действие ГОСТ 55374. При этом активно продолжать исследования дальше. Соответствующие документы подписаны. Мы и дальше на площадке Росстандарта будем отстаивать эту позицию ввиду, повторяю, неготовности мостового сообщества работать по этому стандарту и давать гарантии надежности сооружаемых мостов»
По словам Николая Быстрова, стандарт был введен в действие без обсуждения с теми, кто его будет использовать. При этом ГОСТ не поступал на обсуждения ни в Минтранс РФ, ни в ФДА, а также не обсуждался с организациями, которые изготавливают стальные мостовые конструкции.
