Усталость металла свойственна всем конструкциям из сортового проката, включая опоры освещения. Явление не имеет выраженных визуальных признаков, но неизменно приводит к снижению характеристик, а иногда и потере целостности изделий.
Узнать о влиянии усталости металла на долговечность опор поможет наш материал. Мы разберем ключевые негативные факторы, расскажем о сроке службы и признаках преждевременного износа конструкций. Сведения помогут определить оставшийся ресурс, организовать периодические осмотры и предотвратить несчастные случаи.
Что такое усталость металла
Усталость металла — это процесс последовательного накопления повреждений, приводящих к разрушению элемента. Явление вызвано циклическими нагрузками, не превышающими предел прочности материала. В результате происходит деградация внутренней структуры с последующим раскрытием трещин и появлением надлома.
Усталостные трещины под микроскопом
Какие виды воздействия приводят к преждевременному износу
Опора испытывает множество видов воздействия. Каждое наносит ущерб металлу и в разной степени ускоряет износ:
- Ветровые нагрузки. Главный враг конструкций. Сильные порывы ветра приводят к раскачиванию, провоцируя усталостные повреждения у основания стойки, в зонах сварных швов и разъемных соединений. При вихревом возбуждении оказывается разнонаправленное воздействие, опасное для всех элементов.
- Вибрации. Как правило, опоры расположены вдоль дорог. Проезжающий транспорт создает вибрации, передающиеся на конструкции. В результате страдает не только опора, но и закладная. Также воздействие ослабляет резьбовые соединения, особенно при неплотной протяжке.
- Смена температур. В межсезонье температура меняется в пределах 20 градусов на протяжении суток. Это приводит к сужению и расширению металла, сопровождающемуся усталостными процессами. Кроме того, тепло излучает сам осветительный элемент. Он образует градиент температур, вызывающий дополнительные напряжения.
- Изгибающий момент. Кронштейны и светильники создают противовес вертикальной части опоры, изгибая ее. Нагрузка носит статичный характер, но может усиливать внешнее периодическое воздействие и негативные последствия.
- Мачтовое использование. При навешивании дополнительных деталей, вроде антидроновых сетей, возникает парусный эффект, увеличивающий ветровые нагрузки и изгибающий момент.
Для крепления вспомогательных элементов используют специальные кронштейны. Места их установки испытывают повышенную нагрузку в сравнении с остальной опорой. Это вызвано значительным весом и длиной, малым сечением и числом точек примыкания крепежей.
Трещина сварного шва, вызванная накоплением усталостных повреждений
В чем опасность усталости металла
Усталостные процессы опасны непредсказуемостью, снижением допустимого предела нагрузок и хрупким характером излома. Кроме того, их сложно обнаружить на ранней стадии. Каждый аспект имеет свои особенности и требует отдельного рассмотрения.
Непредсказуемость
Ключевая опасность усталости. Процесс не проявляется продолжительное время. Нередко о нем узнают при появлении трещин, разрывов и прочих признаков износа. Как итог, остается демонтировать опору или проводить комплекс мер по ее укреплению.
Снижение допустимого предела нагрузок
Усталость является следствием малых многократных нагрузок. Они значительно ниже расчетных, но от этого не менее опасны. Так, если деталь выдерживает разовые усилия в 1000 кг, многократное воздействие в 50 кг может разрушить ее со временем. Данный факт усложняет расчеты и снижает предсказуемость сценариев эксплуатации.
Хрупкий характер излома
Сталь — весьма вязкий материал. Если опора находится в исправном состоянии и противостоит воздействию значительной силы, она изгибается, но не ломается. В случае с «уставшим» металлом происходит хрупкий излом. Как итог, фрагменты изделия могут упасть на трассу, автомобиль и ближайшие постройки.
Сложность обнаружения
Контролировать развитие усталостных повреждений сложно без рентгена и ультразвука. При визуальном осмотре конструкция выглядит исправной, особенно, если она имеет покрытие. Однако металл может содержать прогрессирующие микротрещины.
Вероятные последствия
Обрушение опоры возможно в редких случаях. К нему приводят множественные усталостные повреждения и дефекты самой конструкции. Чаще наблюдается поражение сварных швов и разъемных соединений, приводящее к изменению геометрии и снижению несущей способности.
Поперечная трещина опорного элемента, спровоцированная механическим повреждением
Усталостная прочность материалов, используемых при выпуске опор
Изделия производят из сталей с умеренной усталостной прочностью, обеспечивающих 30–50 лет безопасной эксплуатации. Выбор марки зависит от климатических условий.
Опоры для средней полосы России выпускают из конструкционной стали Ст3пс5. Она устойчива к статическим нагрузкам, но уязвима к динамическим. Чтобы повысить надежность изделий, производители используют прокат с более толстой стенкой и добавляют дополнительные элементы для жесткости.
Конструкции для северных регионов выполнены из сплава 09Г2С. Это низколегированная углеродистая сталь, усиленная марганцем. Ее усталостная прочность выше почти в 2 раза, материал лучше противостоит окислению и температурным нагрузкам.
ВАЖНО. Усталостная прочность не указывается в сопроводительных документах к прокату, но ее косвенно определяет предел выносливости при симметричном изгибе. Для Ст3пс5 он составляет от 120 до 180 МПа, для 09Г2С — от 220 до 280 МПа.
В каких местах чаще всего возникают усталостные повреждения
Вероятность появления усталостных трещин увеличена на ряде участков:
- Сварные швы. Наиболее уязвимые зоны. В результате термического воздействия и диффузии изменяется структура металла, появляются остаточные напряжения, воздействующие на соединение весь срок службы. Это снижает предел выносливости на 40–60%. Так, у 09Г2С он падает до 100–150 МПа, а при низком качестве сварки — до 70–120 МПа.
- Детали со сложной геометрией. Переходы, изгибы и отверстия являются концентраторами напряжений, особенно при интенсивных циклических нагрузках.
- Резы. Для получения монтажных отверстий и подключения оборудования опору могут прорезать газом или болгаркой. Такие места сразу же «собирают» напряжения, особенно в первом случае.
- Участки с коррозией. Интенсивные окислительные процессы истончают металл, существенно снижая его прочность. Они активизируются из-за низкого качества проката, несоответствия материала климатической зоне и регулярного воздействия противогололедных реагентов.
К коррозионному поражению приводит некачественное цинкование. Несмотря на обработку методом погружения, изделие может содержать участки, не покрытые цинком, например, места с загрязнениями или остатками краски.
Повреждение прокатного уголка в месте воздействия динамических нагрузок
Физика процесса
Износ опоры в реальных условиях происходит в 3 этапа:
- Накопление повреждений. Самая длительная стадия, занимающая 80–90% срока службы изделия. Под действием повторяющихся нагрузок происходит разрыв кристаллической решетки металла в уязвимых зонах. В результате на их поверхности возникают усталостные выступы, впадины и тонкие линии, вызванные атомарным смещением слоев.
- Появление и стабильный рост трещин. В местах усталостных деформаций образуются микротрещины. Они впервые раскрываются при пиковой нагрузке, после чего расширяются по мере циклического воздействия. Прогрессируя, дефекты продвигаются вглубь материала, снижая его прочность. Обычно зона будущего излома имеет гладкую поверхность, а трещины представлены концентрическими линиями или дугами. На данном этапе изделие безвозвратно теряет прочность и не справляется с проектными нагрузками.
- Нестабильный рост трещин и разрушение. Стадия, длящаяся несколько секунд. Длина и глубина трещин достигает своего пика, нарушая структурную целостность конструкции. При критическом уменьшении сечения участка происходит разрушение узла.
Место разрыва называют зоной долома. Она имеет зернистую, шероховатую структуру, может содержать кристаллы и конусовидные образования.
ВАЖНО. Качественные опоры, эксплуатируемые по регламенту, редко содержат усталостные трещины. Изделия сохраняют функционал в течение всего срока службы, не требуют усиления и дорогостоящего ухода.
Зона долома
Методы борьбы с усталостью металла
Производители опор используют следующие способы снижения износа:
- Оптимальная форма. При выборе геометрии опор сокращается число «концентраторов» напряжений. Инженеры стараются отказаться от острых углов, резкой смены сечения, большого количества отверстий и проемов. Если без потенциальных уязвимостей не обойтись, применяются меры по их нейтрализации.
- Упрочнение поверхности. Способ, подходящий для ответственных конструкций. Он предполагает использование закаленного проката со сжимающими поверхностными напряжениями. В результате создается сила, противодействующая появлению трещин. Однако такие решения редки для серийных производств.
- Минимизация внешнего воздействия. Чтобы исключить влияние негативных факторов на опору, применяют дополнительные защитные средства: от демпфирующих развязок до защиты от коррозионного поражения.
Последний способ — мера сопутствующей поддержки. Демпфер или цинкование не противодействуют усталостным трещинам, но замедляют их развитие, нивелируя факторы риска.
Можно ли эксплуатировать опору при появлении трещин
Изделие с характерными разрывами металла находится на второй стадии разрушения. Это значит, его оставшийся ресурс составляет 10–20%. При возникновении критической нагрузки трещины перейдут к нестабильному росту и вызовут обрушение всей конструкции.
Если при визуальном осмотре обнаружились механические повреждения, необходимо заменить опору и проверить закладную. Возможно, она также получила повреждения в ходе эксплуатации.
Как выбрать опоры
При покупке изделий стоит обращать внимание на следующие аспекты:
- Используемый прокат. Качественный металлопрокат — залог долгой службы продукции. Если производитель предоставляет информацию об используемых материалах, а опоры сопровождаются сертификатами и паспортами, их можно приобретать.
- Качество швов. Сварные соединения всегда на виду. Отсутствие кратеров, подрезов и прочих дефектов снижает шанс поражения швов и продлевает срок службы изделий.
- Исполнение. Модели с деталями, не провоцирующими усталостные напряжения, служат дольше и требуют меньше внимания. В случае с множеством перфораций, острых углов и фасок появляются дополнительные риски.
Ознакомиться с опорами, соответствующим всем перечисленным рекомендациям, можно в каталоге «Гамма-Электро».
