ПАО "Каховский завод электросварочного оборудования"
рус eng
 


В. А. Ковтуненко, канд. техн. наук, А. М. Герасименко, В. А. Задорожный. В. В. Рындыч, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)

Проведен анализ стального проката, применяемого для ответственных строительных металлоконструкций и мостов. Представлены стали 10ХСНДА и 15ХСНДА по ТУ 14-1-5120-92, разработанные на базе широко известных в мостостроении сталей 10ХСНД, 15ХСНД (ГОСТ 6713). Освещены проблемы применения данных сталей при строительстве железнодорожно-автомобильного мостового перехода через р. Днепр в Киеве.

Ключевые слова: мостостроение, металлические конструкции, стальной прокат, микролегирование, технологии и режимы дуговой сварки, сварочные материалы, свойства сварных соединений.

Развитие мостостроения связано непосредственно с улучшением качества стального проката. В табл. 1 приведены данные об использовании сталей для элементов из прокатного металла в несущих металлических конструкциях пролетных строений согласно ДБН В.2.3-14:2006 «Мости та труби. Правила проектування».

В отечественном мостостроении наиболее часто применяют стали марок 10ХСНД, 15ХСНД (ГОСТ 6713). Основу легирования этих сталей составляют такие элементы, как углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь. Для них оптимизированы режимы, технология дуговой сварки и сварочные материалы, которые обеспечивают требуемые свойства сварных соединений. Достаточно широко для строительных металлоконструкций применяется сталь 09Г2С (ГОСТ 19281).

Современным требованиям к материалам для ответственных металлоконструкций соответствуют стали нового поколения – высокопрочные экономнолегированные стали 06ГБД, 06Г2Б (С355-490, ТУ У 27.1-05416923-085:2006), 09Г2СЮЧ (С325-390, ТУ У 322-16-127). От обычно применяемых в отечественных металлоконструкциях эти стали отличаются экономным легированием, высокой надежностью, хладостойкостью, хорошей свариваемостью. Однако в практике отечественного мостостроения преимущественно используют низколегированные стали с пределом текучести до 350 МПа.

Стали 10ХСНД класса прочности 390 и 15ХСНД класса прочности 345 обеспечивают высокие прочностные свойства при значительном легировании дефицитными хромом и никелем.

Основным нормативным документом, регламентирующим требования к металлопрокату для мостовых конструкций, является ГОСТ 6713. Он предусматривает нормирование прочностных, пластических свойств и характеристик вязкости, однако не гарантирует обеспечение сопротивления хрупкому разрушению металла при отрицательных температурах по результатам испытаний на ударную вязкость образцов с острым надрезом (KCV). Нормативным документом ГОСТ 19281 гарантируется ударная вязкость сталей 10ХСНД, 15ХСНД по Шарпи (KCV) не ниже 40 Дж/см2 только при температурах 0 и -20 °С.

Листовой прокат 09Г2С класса прочности С345 имеет более низкие значения предела текучести и временного сопротивления по сравнению со сталями ЮХСНД, 15ХСНД. Ударная вязкость проката на образцах с острым надрезом KCV нормируется стандартом ГОСТ 19281 не ниже 40 Дж/см2 (температура испытания 0, -20 °С).

Прокат 06ГБД, 06Г2БД классов прочности С355-490 в соответствии с ТУ У 27.1-05416923-085:2006 обеспечивает следующие показатели ударной вязкости KCV: при -20 °С 98 Дж/см2, при -40 °С 78 Дж/см2 и при -60 °С 59 Дж/см2. Стали поставляются с гарантированными значениями прочностных и пластических свойств в направлении толщины, а также с гарантированным обеспечением сплошности толстолистового проката не ниже 1, 2  класса сплошности по ГОСТ 27727.

Марка стали Класс прочности Толщина проката (мм), вкл. ГОСТ, ТУ Дополнительные требования
листового фасонного
16Д 235 До 20 ГОСТ 6713             –
16Д 225 21...40 ГОСТ 6713 По примечанию 3 к табл. 1*, 1.14, 1.16
16Д 215 41...60 ГОСТ 6713
15ХСНД 345 8...15 ГОСТ 6713
15ХСНД 335 16...50; 16...32 ГОСТ 6713
10ХСНД 390 8...15 ГОСТ 6713
10ХСНД-2 390 8...40 8...15 ГОСТ 6713
15ХСНД-12 345 До 32 До 10 ГОСТ 19281 П. 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.6, 2.2.9,2.2.11,2.3 по ГОСТ 19281 Класс сплошности 1,2 по ГОСТ 22727
10ХСНД-12 390 До 40 До 15 ГОСТ 19281
14Г2АФД 390 До 50 ГОСТ 19281 П. 1.4
15Г2АФДпс 390 До 32  –  ГОСТ 19281 П. 1.4
09Г2Д-12 295Д До 32 До 20 ГОСТ 19281 П. 2.2.1. 2.2.2, 2.2.3. 2.2.6, 2.2.9. 2.2.11, 2.3 по ГОСТ 19281 Класс сплошности 1,2 по ГОСТ 22727
09Г2СД-12 295Д 21...32 ГОСТ 19281
09Г2СД-12 325Д Свыше 10 до 20 ГОСТ 19281
09Г2Д-12 325Д До 10 ГОСТ 19281
09Г2СЮЧ-2 325 8...50  – ТУ У 322-16-127 Класс сплошности 1,2 по ГОСТ 22727
09Г2СЮЧ-2 355 8...50  – ТУ У 322-16-127
09Г2СЮЧ-3 390 8...50 ТУ У 322-16-127
Е36 355 8...50 ГОСТ 5521
Е40 390 8...40  – ГОСТ 5521
06ГБД 355 8...50  – ТУ У 27.1-05416923-085:2006
06ГБД 390 8...50  – ТУ У 27.1-05416923-085:2006
06Г2БД 440 8...50 ТУ У 27.1 -05416923-085:2006
06Г2БД 490 8...50 ТУ У 27.1-05416923-085:2006

Примером применения сталей нового поколения в металлоконструкциях мостов может служить строительство автодорожного моста через вход в Гавань Подольского мостового перехода в г. Киеве. Это инженерное сооружение интересно тем, что впервые в отечественном мостостроении в основных металлических сварных конструкциях (главных балках) применен листовой прокат двух различных марок сталей одного класса прочности С390 – 10ХСНД-2 (ГОСТ 6713) и 06ГБД (ТУ У 27.1-05416923-085:2006).

Проектом строящегося железнодорожно-автомобильного моста через р. Днепр в г.Киеве (ОАО «Трансмост» С.-Петербург) допускается применение проката 10ХСНДА и 15ХСНДА по ТУ 14-1-5120-92 с изменением № 6.

В Украине прокат 10ХСНДА и 15ХСНДА в автодорожных и железнодорожных пролетных строениях не применялся и в нормативных документах отсутствует.

В России в СНиП 2.05.03-84* эти стали не включены. Их применение в мостах осуществляется в соответствии с письмом Министерства строительства РФ № 13/2 от 04.01.95 г. В связи с этим возникли определенные трудности с применением данного проката при строительстве мостового перехода.

В ИЭС им. Е. О. Патона проведен анализ данных о свойствах проката и сварных соединений мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА [1-4].

Прокат сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА поставляется ООО «Уральская сталь» по ТУ 14-1-5120-92 с изменением № 6. По сравнению со сталями для  мостостроения по ГОСТ 6713 данные стали харак-

 

теризуются более экономной системой легирования, а также жесткими нормами по содержанию вредных примесей. Химический состав сталей скорректирован в сторону снижения содержания никеля и хрома, серы и фосфора (табл. 2). Значения углеродного эквивалента Сэкв разработанных сталей по сравнению со сталями по ГОСТ 6713 следующие: для стали 10ХСНД – 0,39...0,52;
15ХСНД – 0,34...0,48; 10ХСНДА – 0,35...0,49; 15ХСНДА – 0,31...0,49 (Сэкв определен по формуле МИСа:

формула

Технические условия ТУ 14-1-5120-92 с изменением № 6 гарантируют поставку проката 10ХСНДА и 15ХСНДА с ударной вязкостью на образцах с надрезом (КСУ) по Шарпи не ниже 29 Дж/см2 при температуре испытания -40 °С, обеспечение класса сплошности проката 1,2 по ГОСТ 22727, а также контроль комплекса свойств в Z-направлении.

Главным отличием сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА является наличие в их составе сильных карбидообразующих элементов ванадия и ниобия, что позволило одновременно повысить прочностные свойства по механизму дисперсионного твердения и пластичность путем измельчения конечной ферритно-перлитной структуры.

Возможность повышения прочностных характеристик позволило уменьшить содержание углерода, хрома, никеля, упрочняющих сталь по механизму твердого раствора. При этом учтено, что минимальное содержание никеля, хрома, меди должно обеспечить достаточную стойкость к атмосферной коррозии, а вместе с углеродом и марганцем – необходимую степень устойчивости переохлажденного аустенита при термической обработке [3]. Это обстоятельство в сочетании с особыми режимами прокатки и термической обработки позволило улучшить свойства листового проката.

Таблиц а 2. Химический состав сталей 10ХСНД, 15ХСНД, 10ХСНДА, 15ХСНДА, мас. %
Марка стали C Si Mn Cu Сг Ni S Р V Nb
10ХСНД (ГОСТ 6713) до 0,12 0,80...1,10 0,50...0,80 0,40...0,60 0,60...0,90 0,50...0,80 0,035 0,035
15ХСНД (ГОСТ 6713) 0,12...0,18 0,40...0,70 0,40...0,70 0,20...0,40 0,60...0.90 0.30...0,60 0,035 0,035
10ХСНДА (ТУ 14-1-5120-92 с изменением № 6) <0,12 0,80...1,10 0,65...0,95 0,40...0,60 0,30...0,60 0,20...0,50 <0,010 <0,015 0,08...0,12 0,03...0,06
15ХСНДА (ТУ 14-1-5120-92 с изменением № 6) 0.10...0,15 0,40...0,70 0,60...0,90 0.20...0,40 0,30...0,60 0,20...0,50 <0,010 <0,015 0,08...0,12 0,03...0,06
Примечание. Во всех сталях N – не более 0,008 %.

В работе [3] показано, что по сравнению со сталями по ГОСТ 6713 прокат 15ХСНДА и 10ХСНДА при равном уровне прочностных свойств имеет более высокие пластические характеристики и ударную вязкость. Порог хладноломкости сталей в нормализованном состоянии составляет соответственно -70 и -60 °С. Испытания проката на растяжение в Z-направлении показали практически одинаковый уровень прочностных и пластических свойств как в плоскости прокатки, так и в направлении толщины.

Изменение химического состава повлекло за собой изменение металлургических процессов и фазовых превращений, протекающих в сварочной ванне и околошовной зоне (ОШЗ). В результате возникла необходимость изыскания оптимальных технологий сварки мостовых конструкций из этих сталей как в заводских, так и монтажных условиях [1].

Исследования показали, что прокат сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА имеет достаточный запас сварочно-технологических характеристик [4]. Однако при сварке микролегированных сталей переход в наплавленный металл ниобия, ванадия, а также их нитридов и карбонитридов может способствовать повышению твердости наплавленного металла и оказывать неблагоприятное влияние на ударную вязкость и температуру перехода металла шва в хрупкое состояние.

В работе [ 1 ] проводили исследования сварных монтажных соединений данных сталей и установили, что металл шва и различных зон сварного соединения сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА имеет необходимые прочностные и пластические характеристики на уровне свойств основного металла. Однако сварные соединения толщиной 12 мм из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, выполненные односторонней одно- и двухпроходной сваркой под флюсом, оказались чувствительными к низкотемпературному охрупчиванию, особенно по линии сплавления. В большей степени охрупчивание при температуре испытания -60 °С наблюдалось на соединениях, изготовленных зимой (-15...-20 °С). Нормализация с отпуском после сварки, а также многослойное заполнение шва предотвращают низкотемпературное охрупчивание, за исключением зоны сплавления последнего прохода, где сохраняется повышенная чувствительность к удару при низких температурах.

Для определения причин снижения хладостой-кости сварных соединений сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА были проведены исследования микроструктуры шлифов, вырезанных из стыковых соединений, которые выполнены на различных погонных энергиях [1].

Анализ микроструктуры сварных соединений сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, выполненных на повышенной погонной энергии, показал, что зерно в ОШЗ укрупнено. Игольчатое расположение феррита в теле зерен перлита свидетельствует о наличии перегрева и формировании видманштет-товой структуры. При просмотре структуры под электронным микроскопом обнаружили включения различных форм и размеров, преимущественно в теле зерна феррита. Микрохимический анализ зоны фиксировал наличие в ней карбонит-ридных включений ниобия, ванадия и других соединений металлического и неметаллического происхождения [1, 5].

Согласно выполненным исследованиям [1,5] сварка на повышенных погонных энергиях сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, микролегированных ниобием и ванадием, приводит к длительному пребыванию металла шва и ЗТВ в области высоких температур (свыше 1300 °С). Это обусловливает более полное растворение в аустените карбидов и других соединений ниобия и ванадия, рост зерна аустенита, диффузию углерода из основного металла в наплавленный и насыщение расплавов фосфором из сварочных материалов. Последующее охлаждение вызывает формирование неблагоприятной видманштеттовой структуры, выпадение из аустенита и расплава карбонитридов ванадия и ниобия, которые способствуют [5-8] локальному искажению кристаллических ячеек феррита, снижению подвижности дислокаций, особенно при отрицательных температурах, и, как следствие, затруднению процесса скольжения при деформациях. При этом на снижение хладостойкости металла влияет повышенное содержание фосфора в зоне сплавления, видманштеттова структура с пластинками и иглами феррита в теле зерен перлита, формирующаяся при сварке монтажных швов в условиях ускоренного охлаждения значительно перегретой стали [1].

На основе экспериментальных данных разработаны режимы сварки на пониженных погонных энергиях и параметры подготовки кромок монтажных швов мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА, обеспечивающие хладос-тойкость и равнопрочность соединений.

По заключению Министерства строительства России в конструкциях автодорожных мостов может применяться прокат 10ХСНДА, 15ХСНДА (ТУ 14-1-5120-92 с изменением № 6) при содержании серы не более 0,010 %, фосфора не более 0,015 % и волокнистого строения в изломе не менее 50 %.

Выполнение входного контроля механических свойств, ударной вязкости на образцах с острым надрезом (АТС Г) при температуре -40 °С и структуры металла в изломе каждой партии проката в соответствии с требованиями технических условий обязательно.

Таблица 4. Служебные характеристики сварных соединений стали 15ХСНДА, 10ХСНДА (сварочные материалы: проволока Св-10НМА, диаметр 5 мм, флюс АН-47 (для выполнения корневых проходов — электроды УОНИ-13/55))
Марка стали,
толщина, мм
σв, МПа  KCU-60, Дж/см2 Шов Твердость по Виккерсу
Ось шва Линия
сплавления
σв, МПа σт, МПа δ5, % ОМ ОШЗ Шов
15ХСНДА, 12 561...570 45...53 52...100 736...778 598...644 20...22 135...140 163...174 178...185
15ХСНДА, 16 641...647 62...89 36...75 637...662 513...584 21...23 158...166 170...172 190...210
15ХСНДА, 20 767...773 61...71 47...86 587...658 460...478 23...27 152 159...165 171...174
15ХСНДА, 40 565...597 49...72 37...133 736...799 705...720 18...23 138...145 160...173 186...195
10ХСНДА, 12 541...554 51...59 81...110 753...771 647...690 21...22 148...155 174...177 200...209
10ХСНДА, 16 680...692 49...55 35...42 688...700 595...603 20...23 154...162 171...177 201...217
10ХСНДА, 20 602...606 70...84 38...65 612...685 402...484 24...30 159...165 174...177 197...209
10ХСНДА, 40 649...652 66...85 30...99 675...688 420...425 21...22 159...171 177...186 209...217
 Примечание. Образцы всех соединений разрушились при испытании по основному металлу (ОМ), угол загиба составлял 120°.

При заводском изготовлении и монтаже конструкций необходимо проводить проверку применяемых режимов сварки и сварочных материалов путем определения механических свойств соединений и металла шва методами и в объемах, регламентированных действующими нормативными документами по технологии заводской и монтажной сварки.

Опыт использования проката сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА при строительстве желез-нодорожно-автомобильного мостового перехода в г. Киеве показывает, что при выполнении сварных соединений возникают определенные трудности, которые сдерживают процедуру включения этих сталей в нормативные документы.

Проблемы, возникшие при строительстве железнодорожно-автомобильного мостового перехода через р. Днепр в г. Киеве с использованием значительного объема металлоконструкций пролетных строений, которые изготавливаются из сталей марок 1 ОХСНДА и 15ХСНДА ЗАО «Курганстальмост» и ЗАО «Улан-Удестальмост», носили комплексный характер и потребовали согласованного решения. С этой целью в ИЭС им. Е. О. Патона проведено исследование свойств проката (табл. 3), служебных характеристик сварных соединений сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА (табл. 4). Была также исследована макроструктура сварных соединений металла проката 15ХСНДА, 10ХСНДА толщиной 16, 20, 40 мм. Результаты удовлетворяют требованиям, регламентированным для сварных соединений СНиП III-18-75.

На основании проведенных исследований и опыта применения проката стали 15ХСНДА, 10ХСНДА по ТУ 14-1-5120-92 с изменением № 6 в мостостроении России (мосты через реки Обь, Каму, Дон, Волгу, Оку и др.) была выполнена оценка технологичности этих сталей и разработаны временные технические условия, которые регламентируют применение проката 15ХСНДА, 10ХСНДА в металлоконструкциях железнодорожно-автомобильного мостового перехода через р. Днепр в г. Киеве (с подходами) на железнодорожном участке Киев-Московский – Дарница. Научно-инженерное сопровождение сборочносварочных работ выполняется специалистами Института электросварки им. Е. О. Патона.

 

Литература

1. Свойства монтажных соединений мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА / Д. П. Чепрасов, Е. А. Иванайский, А. С. Платонов и др. // Свароч. пр-во. — 1998. — № 6. — С. 16-19.
2. Чепрасов Д. П., Петров В. П., Иванайский Е. А. Водородная хрупкость монтажных сварных соединений мостовых конструкций из сталей 10ХСНДА и 15ХСНДА // Там же. — 2003. — № 3. — С. 12-16.
3. Мостовые стали нового поколения на основе природнолегированных руд Халиловского месторождения / И. Ф. Пемов. Ю. Д. Морозов, А. М. Степашин, Г. Н. Мулько // Металлург. — 2004. — № 9.
4. Платонов А. С., Пемов И. Ф., Подберезный Н. И. Новые виды стального проката для мостостроения // Транспорт, стр-во. — 1996. — №3. — С. 12-14.
5. Хладостойкость сварных соединений стали 08Г2СФБ / 3. А. Добротина, С. П. Литвиненко, Г. А. Розанова и др. // Свароч. пр-во. — 1979. — № 1. — С. 25-27.
6. Гудков А. А. Трещиностойкость стали. — М.: Металлургия. 1989. — 375 с.

 

Источник: журнал "Автоматическая сварка", сентябрь 2008, поступила в редакцию 24.04.2008       

gotop.png, 702B
gotop.png, 702B

Назад в библиотеку сайта
 
 
Знаки качества
КЗЭСО © 2017 Все права защищены