Большая часть территории страны находится в зонах, где зимние температуры опускаются ниже минус тридцати, а на севере и в Сибири — до минус пятидесяти и ниже. Для металлоконструкций это не просто неудобство при монтаже. При низких температурах обычная углеродистая сталь может перейти в хрупкое состояние и разрушиться внезапно, без заметных пластических деформаций, при нагрузках ниже расчётных.
Такие разрушения случаются редко, но последствия у них тяжёлые: обрушения покрытий, разрывы резервуаров, трещины в подкрановых балках. Поэтому нормы проектирования уделяют хладостойкости особое внимание, а выбор стали для северных объектов — отдельная инженерная задача.
В статье расскажем, что такое хладноломкость, как нормы задают требования к стали, какие марки применяются и как изготовление влияет на поведение конструкции на морозе.
Что происходит со сталью на холоде
При понижении температуры прочность стали немного растёт, но пластичность и способность поглощать энергию удара падают. У сталей с объёмно-центрированной кубической решёткой, к которым относятся все конструкционные углеродистые и низколегированные стали, существует температурный интервал, в котором характер разрушения меняется с вязкого на хрупкий. Его называют порогом хладноломкости.
Ударная вязкость как мера хладостойкости
Главный показатель — ударная вязкость, определяемая испытанием образца с надрезом на маятниковом копре. Чем выше работа удара при заданной температуре, тем надёжнее сталь сопротивляется хрупкому разрушению. Для строительных сталей нормируют ударную вязкость на образцах с острым надрезом при температурах от плюс двадцати до минус семидесяти градусов.
Факторы, повышающие риск хрупкого разрушения
- Низкая температура эксплуатации.
- Большая толщина проката — толстый металл имеет более высокий порог хладноломкости.
- Концентраторы напряжений: резкие переходы сечений, непровары, подрезы, отверстия.
- Растягивающие напряжения, особенно остаточные сварочные.
- Динамические и ударные нагрузки.
- Старение металла и наклёп в зонах холодной гибки.
Как нормы задают требования к стали
Выбор стали для строительных конструкций регламентирует СП 16.13330. Конструкции делятся на группы в зависимости от ответственности и условий работы: от первой, самой ответственной (подкрановые балки, элементы под динамической нагрузкой, узловые фасонки ферм), до четвёртой (вспомогательные конструкции). Для каждой группы и расчётной температуры определяется допустимая марка и категория стали.
Расчётная температура
За расчётную принимают температуру наиболее холодных суток с заданной обеспеченностью для района строительства по СП 131.13330. Для отапливаемых зданий, где конструкции находятся внутри тёплого контура, требования мягче; для открытых эстакад, опор, наружных площадок — жёстче.
Категории стали по ГОСТ 27772
Для строительного проката по ГОСТ 27772 категория указывается цифрой после марки, например С345-3 или С355-4. Категория определяет, при какой температуре гарантируется ударная вязкость. Чем выше категория, тем ниже температура испытаний и тем выше хладостойкость.
Таблица выбора стали по климатическим условиям
| Расчётная температура | Вспомогательные конструкции | Основные несущие конструкции | Конструкции первой группы, сварные толстостенные |
|---|---|---|---|
| Выше минус 30 °C | С245, С255 | С255, С345 | С345-3, С355 |
| От минус 30 до минус 40 °C | С255, С345 | С345-3, С355 | С345-4, С355-1 |
| От минус 40 до минус 50 °C | С345-3 | С345-4, С355-1 | С355-П, С390-1 с гарантией вязкости |
| Ниже минус 50 °C | С345-4 | С355-П, С390-1 | Специальные хладостойкие стали по проекту |
Таблица иллюстративная и показывает общую логику. Точный выбор выполняется проектировщиком по таблицам СП 16.13330 с учётом группы конструкции, толщины проката и вида напряжённого состояния.
Какие стали считаются хладостойкими
Низколегированные стали повышенной прочности
Стали С345, С355, С390 содержат марганец, кремний и микролегирующие добавки. Благодаря мелкозернистой структуре они сохраняют вязкость при значительно более низких температурах, чем углеродистые С245 и С255. Контролируемая прокатка и термообработка дополнительно снижают порог хладноломкости.
Стали с повышенной коррозионной стойкостью
Для мостов и открытых конструкций на севере применяют стали с добавками меди, хрома и никеля. Они сочетают хладостойкость и повышенное сопротивление атмосферной коррозии.
Стали для особо низких температур
Для объектов на крайнем севере и арктическом шельфе используют стали с никелем, пониженным содержанием серы и фосфора, повышенной чистотой по неметаллическим включениям. Их поставляют по специальным техническим условиям с испытаниями при минус шестидесяти и ниже.
Конструктивные меры повышения хладостойкости
Правильная сталь — необходимое, но не достаточное условие. Хрупкое разрушение почти всегда начинается от концентратора напряжений, поэтому конструктивная проработка не менее важна.
- Плавные переходы сечений со скосами вместо ступенчатых изменений толщины.
- Отказ от пересечения сварных швов в одной точке, вырезы в рёбрах для пропуска поясных швов.
- Ограничение толщины элементов: вместо одного очень толстого листа — сечение из двух более тонких.
- Предпочтение болтовых монтажных соединений в районах с экстремальными температурами.
- Исключение прерывистых швов и коротких фланговых швов в растянутых элементах.
- Размещение отверстий и вырезов вдали от зон максимальных растягивающих напряжений.
Изготовление: что влияет на хладостойкость
Резка и гибка
Кромки после термической резки имеют зону с изменённой структурой. Для ответственных растянутых элементов их обрабатывают механически. Холодная гибка вызывает наклёп и снижение вязкости, поэтому радиусы гиба ограничивают, а при необходимости выполняют гибку с нагревом на гидравлических прессах.
Сварка
Сварной шов и зона термического влияния — наиболее уязвимые места. Для хладостойких конструкций применяют сварочные материалы с гарантированной ударной вязкостью при расчётной температуре, электроды с основным покрытием, порошковую проволоку с никелем. Режимы подбирают так, чтобы ограничить погонную энергию: перегрев укрупняет зерно и повышает порог хладноломкости. При сварке толстого металла выполняют предварительный подогрев.
Контроль качества
- Проверка сертификатов на наличие результатов ударных испытаний при требуемой температуре.
- Визуальный и измерительный контроль всех швов: подрезы и незаваренные кратеры недопустимы.
- Ультразвуковой контроль стыковых швов растянутых элементов.
- Испытания контрольных сварных соединений на ударный изгиб для ответственных объектов.
Защитные покрытия для холодного климата
Лакокрасочная система на северных объектах работает в тяжёлых условиях: многократные переходы через ноль, обледенение, абразивное действие снега и противогололёдных реагентов. Покрытие должно сохранять эластичность при сильном морозе, иначе оно растрескивается и отслаивается, открывая металл коррозии. Поэтому для таких объектов подбирают материалы с подтверждённой морозостойкостью, а систему покрытия назначают по ГОСТ 9.402 и условиям эксплуатации.
Практические рекомендации
- Абразивная очистка поверхности до требуемой степени перед нанесением грунта.
- Цинконаполненные или эпоксидные грунты с полиуретановым финишным слоем, сохраняющим эластичность.
- Заводская окраска в отапливаемом цехе с контролем толщины каждого слоя.
- Минимум работ по окраске на монтаже: только подкраска монтажных стыков в допустимых погодных условиях.
Монтаж в мороз
Монтаж при низких температурах требует дополнительных мер. Сварка на морозе допускается только с подогревом и защитой от ветра, при соблюдении ограничений по температуре для конкретной стали. Удары кувалдой по металлу для подгонки при сильном морозе запрещены — они могут вызвать хрупкую трещину. Болтовые соединения предпочтительнее, но натяжку высокопрочных болтов ведут с учётом изменения коэффициента закручивания на холоде.
Итоги
Хладостойкость металлоконструкции складывается из трёх составляющих: правильно выбранной стали нужной категории с гарантированной ударной вязкостью, конструктивных решений без опасных концентраторов напряжений и технологии изготовления с контролем сварки. Завод изготавливает конструкции из низколегированных сталей категорий для холодного климата, подбирает сварочные материалы под расчётную температуру и контролирует документы на металл. Подробнее о возможностях — в разделе продукция.
Нужны металлоконструкции?
Изготовим и смонтируем по вашим чертежам или разработаем проект с нуля.
Оставить заявку
