При выборе крепежных изделий нужно учитывать целый ряд факторов, иначе итоговая конструкция окажется ненадежной

Правильный крепеж

Сергей Новацкий, главный инженер ЗАО “Солди и Ко”

При выборе крепежных изделий нужно учитывать целый ряд факторов, иначе итоговая конструкция окажется ненадежной

Крепежные изделия просты по форме и конструкции, но можно сказать, что эта простота обманчива, поскольку наполнена непростым содержанием, требующим для понимания хороших технических знаний. К сожалению, кажущаяся простота конструктивного исполнения и применения крепежных изделий порождает упрощенное отношение потребителя к их выбору. А ведь выбор крепежного изделия требует учета очень многих параметров – начиная с геометрических размеров, механических свойств и заканчивая химическим составом материала.

ПРОБЛЕМА ВЫБОРА
Объективности ради надо отметить, что при существующем на рынке разнообразии крепежных изделий покупателю порой просто очень сложно определиться, какой именно крепеж приобрести для удовлетворения своей потребности с максимальной эффективностью.

Тем самым, существует проблема оптимального выбора. И технически верное, обоснованное решение этой проблемы гарантирует надежность, долговечность, безопасность самых разнообразных машин, механизмов, устройств, строительных сооружений и др.

Рассмотрим в качестве примера один из вариантов непродуманности, технической безграмотности и безответственности при решении достаточно простой задачи закрепления конкретной строительной конструкции – подвесных потолков. Известно, что большинство строительных компаний при их монтаже в узлах крепления каркасной части к плитам перекрытия использует полимерные пластмассовые (полиэтилен, полипропилен, полиамид) дюбели быстрого монтажа распорного типа (ударные) наиболее популярных размеров – 06,0×40, 06,0×60. Без сомнения, использование указанных крепежных элементов очень удобно и обеспечивает высокую производительность монтажных работ.

Так что же в этом плохого? Дело в том, что полимерные материалы и изделия из них под действием растягивающих статических нагрузок склонны к холодной текучести (вытягиванию). Причем этот эффект имеет место даже при нагрузках, далеких от предельных разрушающих, т.е. в диапазоне расчетных значений нагрузок для рассматриваемых крепежных элементов. И то, когда именно эта особенность полимерных материалов становится причиной падения очередного подвесного потолка, – лишь вопрос времени. Ведь полимерные дюбели быстрого монтажа держат конструкцию подвесного потолка, пока есть распор между дюбелем и внутренней поверхностью монтажного отверстия. По мере вытягивания дюбеля (холодного течения) усилие распора уменьшается, соответственно, уменьшается и несущая способность в точках крепления. Результат – отрыв и падение подвесного потолка.

Как же избежать подобного негатива? За счет обязательного использования при монтаже подвесных потолков металлических анкерных систем определенных конструкций, типоразмеров и в необходимом количестве. При этом возможен смешанный подход – с одновременным использованием как полимерного крепежа, так и металлических анкеров. Но прочностной расчет необходимо вести только по металлическому крепежу, а полимерные крепежные изделия рассматривать как вспомогательные.

Конечно же, принятие оптимального решения по подбору и применению крепежных изделий возможно прежде всего при непосредственном участии поставщика крепежа в проектировании конкретного объекта или при наличии детального технического задания.

Именно для решения такого рода задач в ЗАО “Солди и Ко” создан отдел технического консалтинга (ОТК). В структуру ОТК включена лаборатория ф из и ко-механических испытаний крепежных изделий (аккредитация Укрметртестстандарт, аттестат №ПТ – 0564/03 от 29.12.2003г.). На основании представленного технического задания или по результатам экспертизы конкретного объекта ОТК предоставляет рекомендации по подбору и технологии монтажа крепежных изделий, осуществляет непосредственные продажи и послепродажное сопровождение. На приобретенные в “Солди и Ко” крепежные изделия, пожеланию потребителя, отделом выписывается сертификат качества, подтверждающий соответствие продукции требованиям нормативных документов.

ФАКТОР СТАЛИ

Рассмотрим еще несколько примеров непродуманного, вызванного незнанием вопроса, подхода к выбору крепежных изделий. Для этого ознакомимся вначале с некоторой вводной информацией.

В промышленном комплексе в строительной индустрии достаточно широко применяется крепеж, изготовленный из нержавеющих (коррозионностойких) сталей. Как правило, он используется, когда необходимо противостоять разрушающему воздействию коррозии в химически агрессивных средах, в условиях повышенных температур и т.д.

Наиболее широко на рынке крепежа представлен нержавеющий крепеж, изготовленный из аустенитных (хромоникелевых) сталей. Типичной аустенитной коррозионностойкой сталью является, например, 12Х18Н9. Поскольку подавляющая часть нержавеющего крепежа на рынке Украины -импортного производства, в первую очередь европейского, то в соответствующих рассуждениях можно основываться на данных, взятых из DIN EN ISO 3506 – 1 (2 и 3):1998г. “Механические свойства крепежного материала из коррозионностойких нержавеющих сталей”. В соответствии с указанным выше документом в аустенитной группе представлено 5 классов нержавеющих сталей, имеющих кодировку А1-А5.

Классы нержавеющих сталей (соответственно, и изделия из них) отличаются химическим составом, механическими свойствами, областями применения. Например, наиболее часто встречающиеся классы А2 и А4 можно охарактеризовать следующим образом. Класс стали А2 (10Х18Н12Д4) чаще всего употребляется для изготовления кухонного оборудования (пищевая “нержавейка”). Сталь этого класса непригодна к применению в кислотной среде и средах с содержанием хлорида, например, в бассейнах для купания и морской воде. Соответственно, крепежные изделия, изготовленные из сталей А2, нельзя использовать в хлорсодержащих и кислотных средах.

Класс стали А4 (08Х18Н12М3) относится к категории “кислотоустойчивая”. Собственно, этот класс стали специально разрабатывался для применения в кипящей серной кислоте. В некоторой степени эта сталь пригодна для эксплуатации в средах с содержанием хлорида. Крепеж из данной стали нашел широкое применение в пищевой, химической промышленности и судостроении.

При этом классы А2 и А4 относят к неста-билизированным сталям. Необходимо четко осознавать, что крепежные изделия, изготовленные из этих сталей, склонны к меж-кристаллитной коррозии при нагреве до температур в диапазоне 500-700 °С. Подобная коррозия заключается в концентрации карбидов хрома по границам зерен, ее развитие в конечном итоге приводит к кардинальному изменению физико-механических свойств крепежных изделий, к снижению прочностных характеристик, приобретению изделиями объемной хрупкости. Крепеж, пораженный межкристаллитной коррозией, внешне меняется незначительно (немного тускнеет), но хрупкость может достигать та ких величин, что при ударе изделие разрушается как керамический или стеклянный сосуд.

А теперь представим себе ситуацию, когда без учета приведенных выше особенностей произведен отбор и установка нержавеющего крепежа в реальных и очень ответственных конструкциях. Результат известен: разрушение и выход из строя машин, механизмов, сооружений.

МИНУСЫ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ
Нельзя не подчеркнуть, что крепежные изделия являются продуктом с постоянно увеличивающимся уровнем требований к прочностным характеристикам и коррозионной стойкости.

Эти повышающиеся требования представляют серьезную дилемму. С одной стороны, высокие требования к прочностным характеристикам вынуждают использовать высококачественный высокопрочный крепеж (класс 10.9 и выше; ДСТУ ISO 898-1). С другой стороны – этот крепеж должен обладать гарантированным уровнем коррозионной стойкости, не уступающим уровню стойкости других деталей, образующих конечный продукт (сборочную единицу).

К высокопрочным крепежным изделиям (прежде всего резьбовым) принято относить изделия с пределом прочности на растяжение (временным сопротивлением разрушению), равным GB > 1000 H/мм2. Изделия данного класса прочности, как правило, изготавливают методом холодного (или горячего) деформирования из качественных углеродистых и легированных сталей, с последующей термической обработкой (закалка, отпуск).

Оценку качественного уровня высокопрочных резьбовых крепежных изделий можно произвести только на основании механических испытаний в соответствии с требованиями нормативных документов (ДСТУ ISO 898-1, ДСТУ ISO 898-2, ГОСТ 22356-77 и др.).

К примеру, болты должны быть подвергнуты испытаниям: на разрыв, растяжение образцов, определение ударной вязкости, разрыв на косой шайбе, определение твердости.

Гайки необходимо испытать на пробную нагрузку, определение твердости.

Шайбы должны быть измерены на твердость.

При этом использование гальванических покрытий для крепежных изделий высокой прочности сопряжено с риском возникновения хрупкого разрушения как результатом водородного насыщения, что является неизбежным сопутствующим эффектом гальванического процесса. Интенсивность охрупчивания сталей под влиянием водорода зависит от вида обработки. Так, сталь особенно склонна к водородной хрупкости в закаленном состоянии. Вероятность проявления подобной хрупкости повышается также в результате наклепа (пластического деформирования). Водород вызывает преждевременное хруп кое разрушение высокопрочных легированных сталей и изделий из них, и в первую очередь за счет снижения ударной вязкости (ГОСТ 9454-78).

Для устранения этого отрицательного явления крепежные изделия высокой прочности после гальванизации подвергают специальной термообработке (отжигу) в течение определенного времени. Это в какой-то мере снижает риск водородного охрупчивания, но полное его устранение не может быть гарантировано (DIN ISO 4042). Применение для удаления водорода процессов отжига имеет существенный недостаток: практически очень трудно подобрать оптимальный режим отжига. Причина – в том, что высокопрочные крепежные изделия производятся из различных марок сталей, которые подвержены водородному охрупчиванию в разной степени. Поэтому для высокопрочного крепежа рекомендуется режимы отжига определять экспериментально, после отжига изделия обязательно нужно подвергнуть механическим испытаниям, и в первую очередь – испытаниям на определение динамической вязкости.

Полную же гарантию надежности высокопрочных крепежных изделий, исключение вероятности хрупкого разрушения и одновременно коррозионную стойкость можно обеспечить только при отказе от использования гальванического метода нанесения защитных покрытий (цинк, кадмий, никель, хром и др.). Однако если все-таки по каким-то причинам избран гальванический способ и необходимо полностью исключить риск водородного охрупчивания, тогда использование высокопрочных крепежных изделий крайне нежелательно. В этом случае надежнее будет крепеж более низкой (4.8, 5.8, 8.8) прочности с пропорционально увеличенным диаметром, или в большем количестве.

НЕ ТОЛЬКО НЕГАТИВ
Рассмотрим еще один пример упрощенного подхода к подбору крепежных изделий. Резьбовые метрические стержни достаточно часто приобретают с целью использования в качестве стяжек, растяжек в такелажных системах и др. Стержни по DIN975 поставляются в разных классах прочности (4.8, 5.8, 8.8, 10.9). И некоторое время назад одно из украинских предприятий, специализирующееся на монтаже ретрансляционных вышек, – возможно, чтобы сэкономить, или по техническому недомыслию – вместо заложенного в технической документации класса прочности резьбовых стержней 8.8 решило закупить для установки на объекте стержни класса прочности 4.8. Т.е. – с уровнем прочностных характеристик в 2 раза ниже. Негативный результат от такого рода замены не заставил себя долго ждать. Под действием эксплуатационных нагрузок (момент от массы, ветровая нагрузка), явно не расчетных для стержней класса прочности 4.8, резьба стержней М20 начала разрушаться. Вначале имело место пластическое деформирование витков резьбы, затем – их окончательный отрыв с последующим ослаблением и сползанием сопряжения “резьбовой стержень + гайка”. Как результат – практическая угроза падения дорогостоящего сооружения.

Резюмируя, приходится констатировать: опыт общения с техническими службами предприятий-покупателей, отделами снабжения показывает, что уровень технической грамотности потребителей, к сожалению, не возрастает. Часто приходится сталкиваться с тем, что в ходе выбора того или иного метрического крепежа при отсутствии изделий требуемого класса прочности безо всяких сомнений тут же закупается крепеж одним или даже двумя классами прочности ниже. Основной ориентир при этом делается на геометрическое подобие. На тех же предприятиях, где технические службы “на высоте”, где соблюдается технологическая дисциплина, такое невозможно. Мало того, как правило, при закупке крепежа такие предприятия требуют документ, подтверждающий качество изделий.