Конструкции и изделия из горячекатаных сталей

Горячекатаные низкоуглеродистые малолегированные стали широко используются для изготовления строительных конструкций, корпусов, кожухов технологического оборудования и составляют, как правило, основную массу металлических объектов на пожаре. Однако именно они, в отличие от холоднодеформированных сталей, представляют наибольшую сложность для экспертного исследования. Изменения в их структуре при вторичном нагреве (нагреве на пожаре), особенно при относительно низких температурах, незначительны и трудно фиксируемы даже инструментальными методами. Тем не менее, из-за распространенности такого рода объектов, попытки получить информацию об условиях теплового воздействия на них делаются довольно давно и к настоящему времени увенчались определенными успехами.

Традиционный и наиболее распространенный метод исследования металлов и сплавов - металлография. Неудивительно поэтому, что в 60-70-х годах (с началом активного применения инструментальных методов в пожарно-технической экспертизе) к металлографии, как методу экспертного исследования металлоконструкций, обратились в первую очередь. В работах [87, 101] металлографию предполагалось использовать при поисках очага пожара.

Как известно, результатом термического воздействия на металл в ходе пожара является рост его зерен, т.е. огрубление структуры. Рост зерен металла зависит от температуры нагрева, времени воздействия этой температуры, химического состава металла и его исходной структуры. Зная марку стали и время термического воздействия, можно, по мнению [101], определить ориентировочную температуру нагрева в различных зонах пожара. Делается это путем сравнения структуры реального изделия со стандартной (ГОСТированной). При равном времени термического воздействия зерно крупнее в том металле, температура которого была выше [101]. Аналогичный методический подход (оценка структурных из­менений в стали и чугуне металлографическим методом) предлагается в работе [87].

В более поздних работах по экспертизе пожаров [63, 81] констатируется, что заметные изменения в величине зерна в горячекатаных сталях обыкновенного качества происходят лишь при температурах выше 600 ⁰С. Поэтому оценить ориентировочную температуру нагрева изделия на пожаре по металлографическим данным можно в пределах от 600 до 1000 ⁰С. Металлографические исследования проводятся параллельно на контрольном и исследуемом образце, вычисляется относительная величина зерна Д_отн. (отно­ше­ние диаметра зерна исследуемого образца к величине зерна образца сравнения), а затем по специальному калибровочному графику, характеризующему зависимость Д_отн. от температуры, определяется температура нагрева [63]. Для уточнения режима нагрева в тех же работах рекомендуется проведение рентгеновской съемки образцов. При этом авторы, однако, вполне справедливо отмечают, что при нагреве горячедеформированных изделий изменения относительной полуширины тестовой аналитической линии незначительны и в ряде случаев соизмеримы с погрешностью измерений [81].

Металлография, по данным [81], может быть применена и для исследования сварных соединений стальных конструкций, подверг­шихся нагреву в ходе пожара. Микроструктура сварного соединения состоит из участка литой структуры сварного шва, по мере удаления от которого последовательно располагаются участки: крупнозернистый, мелкозернистый и, наконец, зона основного ме­талла (равноосные зерна). При нагреве выше температуры аллотропического превращения (727 ⁰С) мелкозернистая зона, вследствие рекристаллизации, исчезает. Это обстоятельство дает возможность дифференцировать зоны нагрева выше и ниже 727 ⁰С, а по соотношению величины зерен крупнозернистой зоны и основного металла можно определить температуру нагрева в интервале 400-800 ⁰С [81].

Следует остановиться и на возможности применения для исследования после пожара горячекатаных сталей методов определения их физико-механических характеристик. В работе [87] рекомен­дуется при поисках очага определять степень отжига металла в различных зонах пожара путем измерения его твердости по Бринеллю или Виккерсу. Автором не оговаривается сфера возможного применения данного метода, однако ясно, что он вряд ли применим для исследования горячекатаных металлов (стали), т.к. у последних так называемого “отжига” и заметного изменения твердости в ре­зультате нагрева на пожаре практически не происходит. Последнее подтверждается и работой [63], авторы которой установили, что изменение микротвердости горячедеформированных стальных листов в зависимости от температуры и длительности нагрева находится в пределах ошибки измерения данной величины. Иное дело - холоднодеформированные стальные изделия, но о них речь пойдет ниже.

Таким образом, из перечисленных выше методов реальной информативностью при исследовании после пожара горячекатанных сталей обладает лишь металлография. Однако сложности использования этого метода при поисках очага пожара очевидны. Ведь для того, чтобы объективно выявить распределение зон термических поражений или температурных зон на месте пожара, необходимо определить соответствующие параметры в 10-20, а иногда и в 100-150 точках. При применении металлографического метода исследования это может означать необходимость выпиливания (газорезка исключена!) из металлоконструкций, в том числе массивных балок, ферм, соответствующего числа образцов, подготовку шлифов, их травление и, наконец, само исследование. Высокая трудоемкость и длительность такой работы могут сделать ее проведение просто нереальным. Кроме того, металлография не дает возможности определить длительность теплового воздействия на кон­струкцию, а это важнее для эксперта, чем все остальные данные.

Указанных недостатков лишен метод определения температуры и длительности нагрева по результатам анализа окалины [4,102]. Ни­же этот метод будет рассмотрен достаточно подробно. Здесь укажем лишь на основное ограничение в его применении: ввиду того, что заметный слой окалины, который можно исследовать, образуется на стали при температуре 700 ⁰С и выше, метод может использоваться лишь для исследования относительно высокотемпературных (от 700 ⁰С) зон. Впрочем, почти такой же температурный диапазон информативности присущ и металлографии, которая, как уже отмечалось, фиксирует изменения в горячекатаных сталях от 600 ⁰С и выше.

Компенсировать данный недостаток можно сочетанием исследования окалины с другими методами, “работающими” в более низкотемпературной области.

Приведем пример такого сочетания.

Металлоконструкции, как правило, окрашены. И при температурах, недостаточных для образования окалины, идет процесс пиролиза лакокрасочного покрытия. Исследование же обугленных остатков ЛКП позволяет, как отмечалось выше, в гл. 4, выявлять зоны термических поражений конструкций и даже определять температуру их нагрева. Дополнительную информацию об относительно “низкотемпературных” зонах, где окалина еще не образовалась, могут дать и исследования холоднодеформированных деталей конструкций (болтов, гаек и т.п.). Такие комбинации методов и объектов исследования дают возможность выявлять зоны термических поражений и температурные зоны на конструкциях из горячекатаного металла практически во всем интервале характерных для пожара температур (рис. 1.47).