Белорусские инженеры исследовали влияние горячего цинкования на хрупкое разрушение стальных конструкций

Негативное влияние горячего цинкования

Горячее цинкование — один из наиболее распространенных и эффективных способов защиты металлических конструкций от коррозии. Однако при совокупном возникновении определенных факторов оно способно негативно повлиять на прочностные характеристики металлического изделия, о чем говорит ряд научных изданий.

Поэтому при проектировании строительных конструкций особое внимание уделяется расчетам всех возможных рисков. Но, несмотря на существенное развитие нормативно-технической базы, нередки случаи, когда при тщательном обследовании изготовленного по всем необходимым стандартам и готового к монтажу изделия выясняется, что оно не соответствует предъявляемым к нему требованиям. А вероятная причина хрупкого разрушения стальных элементов — проведение горячего цинкования.

Исследования разрушения горячеоцинкованных элементов отмечают три основных механизма охрупчивания:

• жидкометаллическое охрупчивание (liquid metal embrittlemen), которое вызывается воздействием жидкого металла на твердое тело и проявляется в виде многократного падения прочности, повышения хрупкости элемента, снижения его долговечности;
• водородное охрупчивание (hydrogen embrittlement), которое возникает в результате операции травления перед флюсованием, а затем и горячим цинкованием. Высокопрочная сталь может быть склонна к появлению трещин, вызванных водородом;
• охрупчивание, связанное со старением стали.

Практический пример хрупкого разрушения

Во время строительства тестовой трассы транспортно-инфраструктурного комплекса uST в Шардже (ОАЭ) специалисты компании Unitsky String Technologies Inc. столкнулись с разрушением балочного элемента под воздействием горячего цинкования. Балочный элемент длиной 8200 мм с толщиной полки 300 мм был изготовлен из стали S355JR.

К полке в середине пролета методом полуавтоматической сварки встык с V-образной разделкой кромки была приварена пластина толщиной 40 мм. В ходе приемочного осмотра на строительной площадке выявили трещины, расположенные вблизи указанных сварных швов.

При последующем контроле сварного заводского соединения аналогичных элементов в тех же местах были обнаружены трещины схожей структуры. В некоторых элементах требовалось дополнительное снятие цинкового покрытия для установления этих дефектов, так как глубинные трещины визуально не просматривались на поверхности.

Нужно отметить, что в местах выявления трещин эстетические характеристики поверхности изделий были удовлетворительными, то есть отсутствовали подтеки, наплывы и прочие неравномерности толщины антикоррозионной защиты.

Образцы с повреждениями были вырезаны из балочных элементов и переданы для дальнейшего анализа. Его результаты показали, что наиболее вероятная причина возникновения указанных дефектов — нарушение технологии сварки, а именно:

• нарушение последовательности;
• нарушение количества проходок;
• отсутствие прогрева металла перед началом сварки, особенно при работе с массивными элементами;
• игнорирование выводных планок;
• ненадлежащее закрепление в стапелях, прихватках, зажимах.

Также нарушение технологии сварки может стать причиной возникновения остаточных напряжений, что негативно сказывается на процессе горячего цинкования.

Таким образом, горячее цинкование — это скорее своеобразный катализатор, способствующий выявлению нарушений в технологии изготовления стальных элементов, а не самостоятельный фактор возникновения дефектов, связанных с хрупким разрушением конструкций из стали. Учет опыта возникновения таких дефектов после процесса горячего цинкования может послужить основой для улучшения технологий изготовления стальных конструкций.

В частности, такой опыт будет полезен для совершенствования методик наложения сложных сварных швов, ужесточения требований к контролю, повышения качества обработки кромок после термической резки и так далее.

Как избежать дефектов, вызванных горячим цинкованием?

На основе проведенного эксперимента и изучения различных источников, профессиональной литературы инженеры компании UST Inc. выработали рекомендации, как избежать разрушения при горячем цинковании.

Для ответственных конструкций в качестве первичной меры рекомендуется указывать марку стали, исходя из ее ударной вязкости (должна быть одинаковой для всей конструкции). Наиболее предпочтительными являются стали J0, J2 и выше. Это не гарантирует исключения проблем при горячем цинковании, но может значительно снизить риск появления дефектов.

Необходимо руководствоваться локальными требованиями профильных предприятий касательно горячего цинкования с четким соблюдением их рекомендаций по конструированию.

Для исключения либо уменьшения напряжений в местах возможных концентраторов обязательна разработка технологической карты на сварку металлоконструкций с непременным указанием последовательности формирования сварных швов, дополнительного прогрева и так далее.

При производственных возможностях предприятия и наличии квалифицированных специалистов рекомендуется произвести расчет с использованием специализированных конечно-элементных программных комплексов по учету остаточных напряжений и их влияния на результат горячего цинкования.

При крупносерийном производстве, реализации сложных конструктивных решений необходимо изготовить ряд экспериментальных образцов, горячее цинкование которых позволит объективно оценить возможность применения данных решений с позиции дальнейшего использования.

Unitsky String Technologies Inc.

21 статей

Международная инжиниринговая компания, которая разрабатывает, проектирует, тестирует и эксплуатирует транспортно-инфраструктурные комплексы в эстакадном исполнении. Головной офис компании находится в Минске. UST Inc. располагает двумя демонстрационно-испытательными центрами – в Беларуси и Объединённых Арабских Эмиратах, производственным комплексом и конструкторскими бюро. Компания аккредитована в качестве научной организации в Национальной академии наук Беларуси и Государственном комитете по науке и технологиям, получила более 200 международных патентов на изобретения, промышленные образцы, товарные знаки.

Показать больше