Влияние высоких температур на прочностные свойства металлоконструкций

Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин характеризуются большим разнообразием форм и размеров, а также различными условиями эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых — эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающий надежную и длительную работу материала в заданных условиях эксплуатации.

Условия эксплуатации определяются рабочей средой (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная и др.), которая может оказывать отрицательное влияние на механические свойства материала. В результате химического и теплового воздействия она может вызывать повреждения поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления, образования окалины и др. Для того чтобы избежать отрицательного воздействия рабочей среды, материал должен обладать не только механическими, но требуемыми физико-химическими свойствами — стойкостью к коррозии, жаростойкостью, хладостойкостью и др.

Температурный диапазон работы современных материалов очень широк, поэтому для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре — хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости и простоты изготовления деталей и конструкций. Они оцениваются технологичностью материала, определяемой хорошей обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также требуемой прокаливаемостью и отсутствием деформации и коробления при термической обработке. Технологичность материала определяет, в конечном итоге, производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования — материал должен иметь невысокую стоимость и быть доступным. Так, например, стали и сплавы должны содержать минимальное количество дорогостоящих легирующих элементов. При этом их использование обязательно должно быть обосновано соответствующим повышением эксплуатационных свойств деталей.

Примеры аварий и разрушения конструкций из-за температурного шока

Одним из примеров аварийных ситуаций, связанных с температурным шоком, является случай, произошедший на нефтеперерабатывающем заводе. В результате быстрой смены температуры металлической трубы, проходящей через реактор, произошло расширение и сжатие материала, что привело к появлению трещины. Это привело к утечке опасных веществ и возгоранию, что привело к значительному ущербу для завода и угрозе для окружающей среды.

Другой пример разрушения конструкций из-за температурного шока связан с строительством мостов. Во время экстремально холодных зим металлические балки, из которых состоят мосты, могут подвергаться быстрой смене температуры. Это приводит к резкому расширению и сужению материала, что вызывает напряжение и образование трещин. В некоторых случаях это может привести к обрушению моста, что не только приводит к материальным убыткам, но и представляет угрозу безопасности тех, кто использует мост в своей повседневной жизни.

Примером разрушения металлической конструкции из-за температурного шока может служить случай, произошедший на газопроводе. В результате резкого перепада температуры, металлическая труба начала быстро расширяться и сжиматься, что вызвало образование трещин. Это привело к утечке газа и возгоранию, представляя угрозу для окружающих

Такие аварии подчеркивают важность правильного рассчета, прогнозирования и контроля температурных нагрузок на металлические конструкции

Таким образом, температурный шок может вызывать серьезные аварии и разрушение металлических конструкций. Правильное планирование, рассчет и мониторинг температурных нагрузок являются важными мерами для предотвращения подобных ситуаций и обеспечения безопасности сооружений и окружающей среды.

Меры предосторожности и защита от температурного воздействия

Для обеспечения безопасности и сохранности металлических конструкций при температурном воздействии следует принимать определенные меры предосторожности и применять соответствующие защитные мероприятия. Одной из основных мер является контроль и поддержание оптимальной температуры в окружающей среде

Если температура слишком высокая или низкая, необходимо применять специальные теплоизоляционные материалы, чтобы минимизировать воздействие экстремальных температур на металлические конструкции

Одной из основных мер является контроль и поддержание оптимальной температуры в окружающей среде. Если температура слишком высокая или низкая, необходимо применять специальные теплоизоляционные материалы, чтобы минимизировать воздействие экстремальных температур на металлические конструкции.

Также рекомендуется проводить регулярные осмотры и обследования металлических конструкций с целью выявления возможных повреждений или деформаций, вызванных температурными изменениями. В случае выявления таких проблем, необходимо незамедлительно принимать меры по их устранению, чтобы предотвратить серьезные последствия.

Для защиты от температурного шока также рекомендуется применять специальные покрытия и покрытия с защитными свойствами, которые обладают устойчивостью к экстремальным температурам и способны защитить металлические конструкции от негативных воздействий.

При установке металлических конструкций необходимо учитывать возможные температурные изменения и предусмотреть запас прочности, который позволит конструкции справиться с возникающими нагрузками. Расчеты и применение специальных технических решений помогут обеспечить надежность и долговечность металлических конструкций в условиях разных температурных режимов.

Способы измерения термических напряжений

Измерение термических напряжений в металлических конструкциях является важной задачей, которая позволяет определить возможные деформации и прочностные характеристики материала при нагреве. Существует несколько способов измерения термических напряжений, включая непосредственные и косвенные методы

Один из наиболее простых способов — использование термопар. Термопара представляет собой пару проводников разных металлов, соединенных в одном конце. При нагреве одного из концов термопары, возникает разность температур и термоэлектрическое напряжение. Это напряжение можно измерить с помощью вольтметра и получить информацию о термическом напряжении.

Еще один метод измерения термических напряжений — использование деформационных датчиков. Датчики могут быть выполнены в виде растяжимых гребней или мембран, которые регистрируют изменения формы и размеров при нагреве. Полученные данные позволяют определить уровень термических напряжений и их распределение в конструкции.

Также широко применяются методы инфракрасной термографии, основанные на измерении излучения инфракрасного излучения, которое пропорционально температуре материала. С помощью специальных камер или тепловизоров можно получить изображение с распределением температуры на поверхности материала и оценить уровень термических напряжений.

Для точного измерения термических напряжений часто используются комплексные методы, включающие комбинацию различных приборов и инструментов. Это позволяет получить более полную и точную картину термических напряжений в металлических конструкциях и применить эти данные для оптимизации проектирования и расчета.

Текст

САНИ ЕРЕТЕНИЯМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ к авт. свид-в 1)М Клз.79 (21) 2783688/29явки Лов 01 В 29 20 53) УДК 625.17: :65.011.5 (088.8 15.08.81. Бюллетель ло вания описания 25.08.81 Авторыобретения т И. Новакович В. ышевский институт инженеров жетранспорта 71) Заявит 54) СПОСОБ РАЗРЯДКИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПБЕССТЪКОВОГО ПУТИ Н ности Ь 1 темпер ческой во вр где .(, — коэффи ния рельсовой ст ной решетки поп нение длины ре нение величины и факти- К =Я Ь 1, расшир- есошпалает изме. е. изме- ьсах атур закрепления емя ремонта. Ь циент линейного али. Сдвижка рель ерек ее оси вызыв льсовых плетей, т напряжений в рел д Д 6=Е ргде Е — модСдвижка жет быть машинами вочными и лочными ма равлических уль упругости рел рельсошпальной произведена су (электробалластевыправочно-под шинами) или при и рычажных при ьсовои решетшест ву ами,бивочн помощоров. стали. и моющими рихто- о-отде- и гидИзобретение относится к железнодорожному строительству, а более конкретно к способам ремонта железнодорожного пути, и может быть использовано при ремонте железнодорожного бесстыкового пути в криволинейных его участках.Известен способ разрядки температурных напряжений бесстыкового пути, заключающийся в том, что производят уменьшение продольных сил в рельсовых плетях 1.1.Недостатками способа являются необходимость в перерывах в движении поездов для выполнения разрядки температурных напряжений, большая трудоемкость работ по перезакреплению рельсовых плетей и трудность ее машинизации, а также наличие жестких ограничений по температуре для производства ремонтных работ.Цель изобретения — повышение производительности.Способ разрядки температурных напряжений бесстыкового пути заключается в том, что производят уменьшение продольных сил в рельсовых плетях путем сдвижки рельсошпальной решетки поперек ее оси.Величину сдвижки ЬК определяют в зависимости от радиуса К кривой и разПример. Необходимо произвести ремонтные работы по выправке и рихтовке на величину до 6 см на участке бесстыкового пути имеющего 70 О/о прямых и ЗОО/о кривых с радиусом 500 м. Температура закрепления рельсовых плетей 25 С. Температура рельсов в течение рабочего дня достигает 40 С. Действующими техническими условиями на укладку и содержание бесстыко855109 формула изобретения Составитель Н. ПрытковаТехред А. Бойкас Корректор У. ПономаренкоТираж 561 ПодписноеВНИИПИ Государственното комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж — 35, Раушская наб д. 4/5Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Редактор А. ДолиничЗаказ 6824/42 3вого пути по условию устойчивости установлены ограничения температуры рельсов во время работ в прямых не более 15 С, а в кривых радиусом от 500 до 800 м до 5 С по сравнению с температурой закрепления в сторону увеличения. Перед производством 5 выправочных и рихтовочных работ на ремонтируемом участке рихтующими устройствами в кривом участке производят сдвижку рельсошпальной решетки в наружную сторону кривой на 6 см. При этом снижающие напряжения уменьшаются на1 О М = — 1 ООО.2,1.10 в =252 кг/см, что соответствует новой температуре закрепления, равной25+ Ы =25+ сн — 25+ 41 .-ууб=5 С 15Таким образом, Ф в,прямом и в. криволинеином участках ииааывыяаавочн 1 е работы производятся при одинаковой:гарантии исключени лотереи устж 4 киврсти бесстыкового путиф й в соответствифВ дейстФ у вующими техническими условиями на укладку и содержание беестфкрого пути.Предложенный способ обеспечивает равномерное и регулируемое значение остаточных напряжений в рельсовых плетях и может использоваться перед проведением работ по ремонту железнодорожного бесстыкового пути. Способ разрядки температурных напряжений бесстыкового пути, заключающийся в том, что производят уменьшение продольных сил в рельсовых плетях, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, указанное уменьшение продольных сил производят путем сдвижки рельсошпальной решетки поперек ее оси

Источники информации,принять.е во внимание при экспертизе

Смотреть

Возникновение термических напряжений

Термические напряжения возникают при нагреве металла и являются результатом неоднородного расширения различных его частей. Когда металл нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее, раздвигаясь, и это приводит к увеличению объема материала. Однако, разные части металла могут иметь различные коэффициенты теплового расширения, что создает неоднородные напряжения в материале.

Возникновение термических напряжений также связано с тем, что металл при нагреве может испытывать изменение своей формы. Если форма металла ограничена какими-либо преградами, например, другими металлическими деталями или конструкцией, то при его нагреве могут возникать деформации и напряжения.

Еще одной причиной возникновения термических напряжений является скорость нагрева или охлаждения металла. Быстрое нагревание или охлаждение может привести к тому, что различные его части нагреваются или остывают с разной скоростью. Это ведет к неоднородному расширению и сужению материала, что приводит к возникновению напряжений.

Для устранения термических напряжений при нагреве металла применяют различные методы. Один из способов — предварительное подогревание металла. Путем подогрева металла до определенной температуры можно снизить разность температур и коэффициентов теплового расширения различных частей металла, что помогает снизить напряжения.

Другим способом является использование специальных компенсационных элементов или соединений, которые позволяют компенсировать разницу в тепловом расширении различных частей металла. Такие элементы или соединения могут быть выполнены из специальных сплавов с определенными свойствами теплового расширения.

Закрепление гаек закладных и клеммных болтов

Обследование элементов верхнего строения пути состояло в массовых измерениях износа элементов скрепления. Все измерения производились штангенциркулем с точностью ОД мм. При обследовании состояния деталей скрепления измерялся износ прокладок, находящихся между рельсами и подкладками и между подкладками и железобетонными подрельсовыми основаниями. Измерения прокладок производились в наиболее изношенных местах и сопоставлялись с толщиной выступающих частей.

В узлах скреплений обследовалось состояние изолирующих втулок, величины коррозии закладных болтов, состояние подкладок и гнезд под клеммные болты. Глубина натира на рельсах определялась в местах контакта их с клеммами.

Обработка результатов измерений состояла в определении статистических величин износа деталей скреплений. Результаты обработки помещены в приложении 21. Они очень близки к результатам аналогичных измерений, проведенных МИИТом /51/ и ЛИШІІТом /52,54/.

Величина износа элементов скреплений на уравнительных пролетах с железобетонными шпалами и рамами больше тех, которые находятся по концам и меньше по средине звена. Особенно большая разница 1,5-4,0 раза в износе элементов на участках с малогабаритными рамами по сравнению с износом участков на железобетонных шпалах.

Закрепление гаек закладных и клеммных болтов Для работы бесстыкового пути степень затяжки гаек закладных и клеммных болтов имеет очень большое значение. Исследованиями в ЛИШТе /53/, МИИТе /54/, ХИИТе /55/ выявлено, что ослабление за-тяжки болтов идет очень интенсивно в первое время после подтяжки гаек, а затем стабилизируется и наступает постепенное ослабление. С целью увеличения срока между последующими подтяжками гаек предложено проф. Андреевым Г.Е.,Лапидус Т.А,,Васиным А.В. и Жарковым В.М. увеличить начальный крутящий момент завинчивания гаек с 147 Нм (15 кГсм) до 245 Нм (25 кГсм) /53,54/.

Автором настоящей работы проводились систематические измерения величины затяжки болтов на опытных участках в процессе эксплуатации. Первоначальная затяжка составила 147 Нм и 245 Нм (15кГсм и 25 кГсм),

Установка и проверка состояния затяжки клеммных и закладных болтов производилась динамометрическим ключем длиной 0,6 м, который тарировался в лаборатории. До начала проведения эксперимента на выбранных участках смазывались все клеммные и закладные болты.

Результаты эксплуатационных наблюдений приведены в приложении 22. Из них можно заключить, что ослабление затяжки в начале идет быстрее, затем медленнее. Ослабление затяжки на закладных болтах происходит медленнее, чем на клеммных. Более интенсивное ослабление клеммных болтов наблюдается на участках с малогабаритными рамами. В результате анализа экспериментальных данных установлены следующие характерные изломы двухвитковых шайб, см. рис. 2.19. 1 — излом по сечению I или УІ на расстоянии половины длины окружности от начала (конца) шайбы; 2,- изломы по сечению П и У — против местного изгиба концов шайбы; 3 — изломы по сечению ill или ІУ — в местах навечки концами шайб на витках; 4 — прочие изломы. Половины витков, которые соприкасаются или с гайкой, или с клеммой, обеспечивают перпендикулярность оси пружины к опорным плоскостям и их сечения в упругой работе не участвуют. Упруго работает только 0,75 витка шайбы. На этот участок шайбы приходится практически все изломы, которые были обнаружены.

Изломы шайб по сечению Ш и ІУ можно объяснить следующим образом. Эти сечения располагаются против конца и начала пружинной шайбы, а при работе в этих сечениях происходит насечка, которая и приводит к излому шайбы.

Сечения П и У располагаются против местного изгиба концов шайбы, а при работе в сжатом состоянии совместно с касательными напряжениями действуют нормальные напряжения от изгиба шайбы как балочки на двух опорах (выступая от местного изгиба концов шайбы) Высокий процент излома шайб по этому сечению на рамах можно объяснить следующим. Обеспечивая изгиб рельса вверх шайба сжимается, используя все возможности, учитывая и изгибы своих концов. На шпалах изгиб рельса вверх может происходить с поднятием шпал из балласта, тем самым облегчая работу пружинных шайб.

Резкое падение затяжки гаек сразу после подтягивания можно объяснить тем, что шайба упруго работает до крутящего момента 58,9-68,7 Нм (6-7 кГсм), сила примерно 4905 Н /57/, а затем как плоская шайба за счет выбирания местных неровностей и врезания в материал гайки и клеммы. Поэтому сразу после притирания элементов скрепления происходит быстрое падение напряжений. Для нормальной работы скрепления КБ необходима шайба (пружина) с большим интервалом упругой деформации. Это значительно сократит работы по уходу за скреплениями.

Материалы и конструктивные элементы анкерного участка

Анкерный участок при разрядке температурных напряжений представляет собой часть конструкции, которая способна компенсировать возникающие при изменении температуры механические напряжения. Для создания анкерного участка используются специальные материалы и конструктивные элементы.

Важными параметрами, которыми должны обладать материалы анкерного участка, являются низкий коэффициент теплового расширения, высокая прочность и устойчивость к деформациям. Наиболее часто применяемым материалом является сталь, так как она имеет хорошую прочность и устойчива к высоким температурам.

Анкерный участок может включать в себя следующие конструктивные элементы:

1. Анкерная плита – это специальная стальная пластина, которая укладывается на поверхность строительной конструкции. Она предназначена для распределения нагрузки и создания устойчивой основы для следующих элементов анкерного участка.

2. Анкерные штыри – это металлические пруты, которые вкручиваются или закладываются в строительную конструкцию. Они служат для удержания элементов анкерного участка и передачи механической нагрузки на строительную конструкцию.

3. Анкерные прокладки – это пластинчатые элементы, которые устанавливаются между анкерной плитой и строительной конструкцией. Они выполняют функцию распределения нагрузки и компенсации возможных неровностей поверхности.

4. Анкерная скоба – это элемент, обеспечивающий жесткое соединение анкерного участка с остальными конструкциями. Она обеспечивает стабильность и устойчивость анкерного участка при действии механических нагрузок.

Все эти конструктивные элементы в совокупности образуют анкерный участок, который способен обеспечить надежную работу конструкции при возникновении температурных напряжений. Они позволяют компенсировать деформации, сохраняя при этом целостность и прочность строительной конструкции.

Коррозия и ее ускорение при резких температурах

Коррозия – это процесс разрушения металла под действием окружающей среды. Резкие изменения температуры могут значительно ускорить этот процесс и повлечь за собой серьезные последствия для металлических конструкций.

Интенсивный нагрев или охлаждение металла могут привести к появлению теплового напряжения, которое вызывает возникновение трещин, облегчает проникновение влаги и химически активных веществ, а также способствует разрушению покрытий, предохраняющих металл от коррозии.

Кроме того, при резком нагреве или охлаждении могут изменяться физико-химические свойства окружающей среды и взаимодействие металла с ней. Например, при высоких температурах окисление металла может происходить более интенсивно. При резком охлаждении могут возникнуть повышенные концентрации влаги, которые способствуют развитию коррозии.

Ускорение коррозионных процессов при резких температурах может быть особенно опасно для металлических конструкций, работающих в экстремальных условиях, например, в нефтегазовой промышленности, аэрокосмической отрасли или на морском дне. Поэтому при проектировании и эксплуатации таких конструкций необходимо учитывать возможность возникновения температурных шоков и принимать меры по защите металла от коррозии.

Анкерный участок: определение и функции

Анкерный участок — это особый элемент конструкции, который используется для обеспечения надежности и долговечности соединений в случае возникновения температурных напряжений. Он служит для фиксации и закрепления элементов с разными коэффициентами теплового расширения, что позволяет предотвратить разрушение и отрыв соединения при изменении температуры.

Анкерный участок выполняет следующие основные функции:

Снижение напряжений: при различии в коэффициентах теплового расширения между соединяемыми элементами, анкерный участок компенсирует это различие и позволяет снизить или даже полностью устранить возникающие напряжения. Таким образом, он обеспечивает сохранность соединения и предотвращает его разрушение.

Увеличение прочности соединения: анкерный участок, благодаря своим особенностям конструкции и материала, увеличивает прочность и долговечность соединения

Это особенно важно при работе в условиях с большими нагрузками или частыми температурными изменениями.

Предотвращение отрыва соединения: анкерный участок крепит элементы конструкции таким образом, что они не могут оторваться друг от друга при воздействии температурных напряжений. Это обеспечивает сохранность конструкции и предотвращает возможные аварийные ситуации.

Анкерный участок может быть выполнен различными способами, включая использование специальных крепежных элементов, сварку или клепку. Он применяется в различных областях, включая строительство, машиностроение, электротехнику и другие.