В этом разделе излагаются вопросы расчета и конструирования различных видов сварных строительных конструкций, приводятся данные о классификации, назначении и принципе работы. Даются основы расчета и конструирования сварных конструкций в целом.
Сварные конструкции широко используются при сооружении объектов любого назначения - каркасов крупных промышленных объектов, резервуаров и емкостей любого назначения и объема, доменных печей и хранилищ для овощей и фруктов, сосудов и аппаратов, магистральных трубопроводов протяженностью в десятки тысяч километров, технологических газопроводов в домах на различные давления и различных размеров.
От прочности и надежности сварных конструкций во многом зависит надежность и долговечность строящихся и реконструируемых объектов.
Сварные конструкции в народном хозяйстве
Определение и история развития сварных конструкций
Практически во всех отраслях народного хозяйства находят широкое применение различного рода и назначения конструкции. Они отличаются друг от друга размерами, конфигурацией, принципами действия, способом изготовления. Конструкциями являются микропроцессор и самолет, кофемолка и электровоз, оконная фрамуга и газопровод. Конструкции изготавливаются при помощи различных технологических процессов, в зависимости от этого они могут быть литыми, коваными, точеными, клееными, штампованными, сварными, а также комбинированными - клеесварными, штампосварными и т. д. К сварным относятся такие конструкции, неразъемные соединения которых выполняются при помощи сварки.
Таким образом, сварными конструкциями являются сетка радиолампы, кабина автомобиля, корпус баллистической ракеты, кожух доменной печи, металлическая часть ствола телебашни. Трудно найти такую отрасль, где не находили бы применения те или иные сварные конструкции.
До применения в металлообработке электросварки как основного технологического процесса неразъемные соединения выполнялись, как правило, клепаными, а некоторые виды конструкций не могли вообще быть изготовленными. Сварка и резка металлов непосредственным действием электрического тока с применением угольной дуги была предложена Н. Н. Бенардосом в 1882 г., а электрическая сварка металлическим электродом разработана Н. Г. Славяновым в 1888-1890 гг., однако десятилетня понадобились на совершенствование процесса, создание надежных и мощных источников тока и качественных сварочных материалов. Только в 20-х годах 20-го столетия сварка начала применяться как прогрессивный технологический процесс обработки металлов.
Широкое применение сварные конструкции нашли в строительстве. В начале 30-х годов сварка стала применяться как основной тип соединений вместо клепки при изготовлении и монтаже строительных металлических конструкций. Перед Великой Отечественной войной сварка широко распространяется и в машиностроении.
Военные и послевоенные периоды характеризуются бурным развитием сварочной науки и техники. В это время появляются на производстве и совершенствуются новые способы и виды сварки, в том числе механизированные и автоматизированные - сварка под флюсом и электрошлаковая сварка.
Внедрение в производство сварочных технологий, способных обеспечить высокое качество наплавленного металла и сварных соединений, повлекло за собой разработку и применение в конструкциях легированных сталей повышенной и высокой прочности, а также сварных конструкций из сплавов цветных металлов.
Разработка сварки в защитных газах, в первую очередь углекислым, и аргоне позволила в 50-60-х годах 20 в. осуществить дальнейшее повышение уровня механизации и автоматизации сварочных работ и качества сварных соединений. Расширяются возможности создания аппаратов, машин и конструкций, работающих в особых условиях эксплуатации. Следует отметить, что использование в народном хозяйстве атомной энергии стало возможно в значительной мере благодаря достижениям сварочной науки и техники.
Параллельно с дуговыми развиваются также другие виды и способы сварки: контактная, электронно-лучевая, ультразвуковая и др.
Высокие темпы развития производства сварных конструкций характерны также для строительной отрасли. Практически все строительные металлические конструкции, за очень редким исключением, являются сварными. Правда, в последнее время в проектировании сварных металлоконструкций имеет место тенденция на максимальное сокращение сварочных работ в монтажных условиях. В связи с этим монтажные стыки конструкций, это в первую очередь относится к каркасным конструкциям, выполняются на болтовых соединениях. Указанное обстоятельство никак не исключает эти конструкции из числа сварных, так как все соединения элементов и деталей, из которых она состоит, - сварные.
Особо велико значение сварки там, где необходимо кроме прочности, обеспечить еще и плотность соединений. В строительстве это - резервуары, трубопроводы, сосуды и аппараты, котлы, а также другие конструкции, собираемые, укрупняемые и свариваемые при сооружении тех или других объектов строительства. При этом следует отметить прогрессивный метод изготовления и монтажа резервуаров и других аналогичных емкостных конструкций из рулонных заготовок с применением автоматической сварки.
Основным направлением повышения уровня механизации сварочных работ при изготовлении и монтаже сварных конструкций в строительстве является его индустриализация, т. е. перенесение максимально возможного числа технологических операций в условиях заводов, цехов, мастерских, полигонов, сборочных площадок и сварочных стендов. В то же самое время создаются технологии, дающие возможность механизировать сварочные процессы при сварке конструкций в их проектном положении. Например, сварка сферических резервуаров без их вращения, сварка кровли и уторных швов, цилиндрических резервуаров, орбитальная и контактная сварка трубопроводов и т. д.
Дальнейшее совершенствование производства сварных конструкции, как наиболее экономичных и ресурсосберегающих, пойдет, во-первых, по пути разработки и проектирования эффективных конструктивных решений и, во-вторых, использования при изготовлении и монтаже конструкций прогрессивной технологии. В первом случае речь идет о применении в сварных конструкциях сталей и сплавов высокой прочности, новых эффективных профилей металлопроката и труб, что позволит при тех же условиях эксплуатации снизить удельный расход металла, металлоемкость конструкций. Во втором случае использование новых сварочных материалов, создание высокомеханизированных и автоматизированных процессов сборки и сварки, применение роботов на массовых операциях создаст условия для значительного повышения производительности труда. В целом же будет достигнута значительная интенсификация производства.
Важной задачей является повышение качества сварных конструкций, решение ее заложено во всех стадиях их создания: при проектировании, при разработке технологического процесса изготовления, транспортировке к месту установки, во время осуществления монтажных работ, включая испытания, а также при эксплуатации. Все необходимые требования и инструктивные материалы должны быть учтены в проектной и нормативной документации.
Классификация сварных конструкций
Большое разнообразие сварных конструкций не позволяет осуществить единую их классификацию, поэтому существует несколько методов классификации. В основу одного из них положен способ получения заготовок, из которых собирается конструкция, например, литосварные конструкции, кованосварные, штампосварные, листовые; или из технологии их изготовления (клеесварные, сварноклепаные). Таким образом, заготовки и детали штампосварной конструкции выполняют методом штамповки, а соединение их в целостную конструкцию выполняют сваркой. Соединение заготовок в сварноклепаных конструкциях выполняется с помощью клепки и сварки.
Классификация сварных конструкций:
Сварные конструкции,
Строительные металлоконструкции,
Машиностроительные конструкции,
Трубопроводы.
Конструкции можно классифицировать по целевому назначению (строительные, судовые, авиационные и т. д.); по применяемым материалам (стальные, алюминиевые, пластмассовые); по характеру нагрузок и условий эксплуатации. Классификация сварных конструкций по этому признаку будет иметь следующие категории (группы):
Балки - конструктивные элементы, работающие на поперечный изгиб, соединенные жестко между собой, образуют рамные конструкции.
Колонны - элементы конструкции, работающие на сжатие или на сжатие с продольным изгибом.
Решетчатые конструкции - система стержней, работающих на растяжение или сжатие, и соединенных жестко между собой в узлах. К мим относятся: фермы, связи, опоры транспортеров, мачты линий электропередач, сетки арматуры железобетона и др.
Оболочковые конструкции - различные емкости, резервуары, аппараты и трубопроводы, к которым предъявляются требования прочности и плотности.
Корпусные транспортные конструкции - корпуса судов, вагонов, кузова автомобилей.
Детали машин и приборов, работающие преимущественно при переменных многоцикловых нагрузках (станины, валы, колеса и др.).
Однако целый ряд сварных деталей, в частности приборов, может работать и при статической или других нагрузках (температура, действие агрессивных сред и т. д.).
Сварные конструкции подразделяются на три категории: строительные металлоконструкции, машиностроительные конструкции и трубопроводы.
В свою очередь, каждая из категорий подразделяется на группы конструкций.
Строительные металлоконструкции разделены на шесть групп: каркасы промышленных зданий, которые являются основным видом конструкций, производимых на заводах министерства; сплошностенчатые листовые конструкции; мачты и опоры; обслуживающие конструкции; сетки и каркасы арматуры для железобетона и пр. Как следует из схемы, каждая из приведенных групп состоит из нескольких подгрупп.
Так, каркасы промышленных зданий состоят из колонн, ферм, связей, балок и ограждающих конструкций. Ограждающие конструкции не несут основных нагрузок, а только как бы «ограждают» (защищают) внутреннее помещение здания. К ним относятся панели, витражи, оконные переплеты, ворота и т. д.
К сплошностенчатым листовым конструкциям относятся: различные емкостные сварные конструкции, основными из которых являются резервуары всех типов (вертикальные сварные - РВС, изотермические, траншейные и горизонтальные сварные - РГС, а также газгольдеры постоянного и переменного объема); диафрагмы и мембраны (в основном - перекрытия большепролетных зданий и сооружений); конструкции вентиляционных систем, включая сварные воздуховоды, а также большая часть конструкций доменного комплекса (кожух доменной печи, воздухонагреватели, пылеуловители и т. д.).
Отдельной подгруппой стоят решетчатые высотные сооружения и опоры. К ним относятся телевизионные, радио- и радиорелейные мачты, мачты линий электропередач (ЛЭП), а также опорные конструкции.
Назначение обслуживающих конструкций следует из их названия: они обеспечивают возможность эксплуатационному персоналу выполнять свои функции при соблюдении правил безопасности. В эту группу конструкций входят лестницы, площадки и ограждения.
В самостоятельную группу выделены сетки и каркасы арматуры железобетона, а также прочие конструкции (кронштейны, подвески, опоры трубопроводов и другие мелкие конструкции).
Машиностроительные сварные конструкции условно разделены на пять групп. К первой из них относятся емкостные конструкции, среди которых можно выделить несколько подгрупп: сосуды и аппараты; котлы, емкости и оборудование специального назначения. Сосуды (как правило, пустотелые) и аппараты (с внутренними устройствами) работают под давлением. Емкости имеют различную вместимость (от долей до сотен кубометров) и назначение (декомпозеры, хранилища сырья и готовой продукции, отстойники и т. д.). К оборудованию специального назначения отнесены различные печи (в том числе вращающиеся), конверторы, миксеры и другое аналогичное оборудование.
К группе разных конструкций относятся рамы под оборудование (насосы, компрессоры, приводные и натяжные станции и т. п.), а также так называемые этажерочные (опорные) конструкции, несущие оборудование и трубопроводы.
К нестандартному оборудованию условно отнесены конструкции всевозможных бункеров, течек, затворов, кожухов оборудования и других многочисленных конструкций, поставка которых входит в обязанности заказчика.
Трубопроводы представляют собой устройства для транспортирования жидких, газообразных и сыпучих веществ при различных давлениях и температурах. За небольшим исключением, трубопроводы являются сварными конструкциями. Магистральные трубопроводы транспортируют жидкости и газы от места их добычи к месту переработки или потребления. Отличительная особенность магистральных трубопроводов - их большая протяженность, измеряемая сотнями и тысячами километров, и постоянный диаметр, достигающий 1420 мм и более.
Промысловые трубопроводы предназначены для сбора нефти и газа от скважин (включая герметизацию нефтяных скважин), и доставку нефти к нефтесборным пунктам, а газов к компрессорным станциям. Они имеют сравнительно небольшой диаметр (100-377 мм) и малую протяженность.
К технологическим трубопроводам относятся трубопроводы промышленных предприятий, по которым транспортируют сырье, полуфабрикаты и готовую продукцию, а также материалы, обеспечивающие введение технологического процесса и отходы производства.
Энергетические трубопроводы, или трубопроводы энергетических блоков обеспечивают работы тепловых и атомных электростанций и групповых котельных установок.
Санитарно-технические трубопроводы служат для создания комфорта в жилых домах, объектах культурно-бытового назначения и промышленных предприятий (хозяйственно-питьевые водопроводы, газопроводы, трубопроводы горячей воды и канализации). Для этих трубопроводов характерны малые диаметры труб и большой удельный вес резьбовых соединений.
В последнее время расширяется применение пластмасс в качестве конструкционных материалов, которые заменяют металлы там, где это возможно и целесообразно. Следует отметить, что пластмассы используются в строительных конструкциях при изготовлении воздухопроводов и вентиляционных камер, работающих в агрессивных средах, а также применяются в качестве наполнителя при изготовлении ограждающих многослойных панелей типа «сэндвич».
В машиностроительных сварных конструкциях пластмассы в основном применяются при изготовлении емкостей для хранения агрессивных жидкостей, а также нестандартного оборудования для тех же условий эксплуатации.
Весьма перспективны пластмассы как конструкционный материал для санитарно-технических и технологических трубопроводов для давлений до 1-1,6 МПа и температур среды до 60-80°С.