Болтовое или сварное соединение

Выбор «болтовое или сварное соединение» — это компромисс между разборностью и монолитностью, между технологичностью сборки и металлоёмкостью, между требованиями к квалификации монтажников и сложностью контроля. Болтовое соединение позволяет демонтировать конструкцию, не разрушая её, и не требует высококвалифицированного сварщика на монтаже. Сварное соединение даёт монолитный шов, при правильном выполнении равнопрочный основному металлу, не требует ослабления сечений отверстиями, но не разбирается без разрушения.

В статье разобраны принципы обоих типов соединений, классы прочности болтов по ГОСТ Р 52627 и виды высокопрочного крепежа по ГОСТ Р 52643, типы сварных швов по ГОСТ 5264 и ГОСТ 14771, требования к контролю качества, а также логика выбора по конструкции — от металлокаркасов зданий до резервуаров и мостовых пролётов. Расчётные положения, действующие в строительстве, регламентированы СП 16.13330 «Стальные конструкции».

Принцип работы соединений

Болтовое соединение

Болтовое соединение — это разъёмное механическое соединение, в котором элементы стянуты болтами с гайками и шайбами. Конструктивно различают:

• Соединения без предварительного натяга (обычные болтовые) — работают на срез болтов и смятие стенок отверстий, либо на растяжение болтов при фланцевом соединении. Применяют болты класса точности В и С по ГОСТ 7798-70 и ГОСТ 15589-70.
• Фрикционные (сдвигоустойчивые) соединения на высокопрочных болтах — усилие передаётся силой трения между контактными поверхностями, которая создаётся предварительным натяжением болта. Поверхности предварительно обрабатывают (пескоструйная обработка, газопламенная очистка, нанесение фрикционного покрытия). Применяют высокопрочные болты по ГОСТ 22353-77 и ГОСТ Р 52643-2006.
• Фланцевые соединения с предварительным натягом — болты работают преимущественно на растяжение; основной режим — обеспечение нераскрытия стыка под рабочей нагрузкой.

Сварное соединение

Сварное соединение — это неразъёмное соединение деталей, при котором между ними образуются межатомные связи за счёт локального расплавления металла (или пластической деформации) и кристаллизации. В строительстве и машиностроении массово применяют дуговые методы:

• Ручная дуговая сварка (РДС) покрытым электродом — швы регламентированы ГОСТ 5264-80. Универсальный метод для монтажных и ремонтных швов, не требует сложного оборудования.
• Полуавтоматическая сварка в защитных газах (MIG/MAG) — швы по ГОСТ 14771-76. Сварка в углекислом газе или смесях аргона с CO2. Высокая производительность, применима в заводских условиях и на монтаже.
• Автоматическая сварка под флюсом — швы по ГОСТ 8713-79. Заводская сварка длинных прямолинейных и кольцевых швов; высокая стабильность качества.

При правильном выполнении и контроле сварной шов равнопрочен или почти равнопрочен основному металлу; болтовое соединение всегда содержит сечения, ослабленные отверстиями.

Разборность и ремонтопригодность

Это базовое и принципиальное различие между двумя типами соединений: болтовое разъёмно, сварное — нет.

Именно благодаря разборности болтовые соединения применяются в типовых решениях, где модули конструкции изготавливаются на заводе, доставляются на стройплощадку и собираются на месте. Это распространяется на каркасы промышленных и общественных зданий, опоры ЛЭП, мостовые пролётные строения, антенные сооружения связи, сборные мобильные конструкции, оборудование, требующее периодического обслуживания, демонтажа и переустановки.

Прочность и усталость

Статическая прочность

Сварной шов при правильном выполнении (полный провар, отсутствие дефектов, согласованная геометрия) обладает прочностью, близкой к прочности основного металла. Болтовое соединение всегда содержит сечения нетто с отверстиями; расчётное сопротивление по этому сечению ниже, чем у сплошного металла. Это компенсируют либо увеличением сечения соединяемых элементов в районе соединения, либо применением высокопрочных болтов и более развитой схемы расположения отверстий.

Классы прочности болтов по ГОСТ Р 52627-2006 (ИСО 898-1:1999)

Маркировка вида «X.Y» на головке болта кодирует механические свойства:

• X — одна десятая значения временного сопротивления разрыву σ_в, в кгс/мм2 (или сотая часть в МПа);
• Y — десятая часть отношения предела текучести к временному сопротивлению, в процентах.

Усталостная прочность

При знакопеременных нагрузках поведение двух типов соединений принципиально различается. У болтового соединения концентраторы напряжений — кромки отверстий и резьбовая часть болта; у сварного — переходные зоны (зоны термического влияния) и непровары. По чувствительности к усталости и хрупкому разрушению при низких температурах сварной шов уязвимее болтового и требует особого внимания к технологии, выбору материала и контролю.

Расчёт стальных конструкций по предельным состояниям, в том числе на статическую прочность, устойчивость, выносливость и хрупкое разрушение, выполняется по СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*» (с действующими изменениями). СП устанавливает расчётные сопротивления соединений на болтах различных классов и сварных швов в зависимости от типа шва, способа сварки и марок основного металла и сварочных материалов.

Технологичность и монтаж

Болтовое соединение

Сварное соединение

Монтажные работы по сборке стальных конструкций со сварными и болтовыми соединениями регламентированы СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87» (с действующими изменениями).

Контроль качества

Контроль болтового соединения

Для обычных болтов контролируется правильность установки, соответствие класса прочности и качества крепежа, наличие шайб, момент затяжки. Для высокопрочных болтов добавляется контроль предварительного натяжения — по крутящему моменту, по углу поворота гайки от момента «затянуть от руки» или комбинированным способом. Контроль выполняется выборочно для каждой партии установленных болтов; результаты заносятся в журнал монтажных работ.

Контроль сварного соединения

Методы неразрушающего и разрушающего контроля сварных швов:

Объём и нормы контроля назначают по проекту с учётом класса ответственности конструкции, требований СП 16.13330 и ведомственных норм (для мостов, сосудов под давлением, котлов, технологического оборудования). Для каждого ответственного шва оформляется операционная карта сварки и протокол контроля.

Сводное сравнение

Области применения

Где предпочтительны болтовые соединения

• Каркасы промышленных и общественных зданий — основные монтажные стыки колонн с базами и капителями, балок с колоннами, ригелей с балками.
• Опоры воздушных линий электропередачи, антенно-мачтовые сооружения, опоры контактной сети — типовые сборные конструкции с фланцевыми и накладными узлами.
• Мостовые пролётные строения — монтажные стыки на высокопрочных фрикционных болтах по ГОСТ Р 53664-2009.
• Конструкции в сейсмически активных районах — болтовые соединения сохраняют пластичность при циклических нагружениях.
• Конструкции, требующие демонтажа, переноса или реконструкции в процессе эксплуатации — сборные склады, ангары, временные сооружения.
• Зоны соединения разнородных материалов или толстостенных элементов, где сварка технологически затруднена.

Где предпочтительны сварные соединения

• Заводские соединения сборочных единиц — балки, фермы, колонны на этапе изготовления.
• Резервуары и сосуды для жидкостей, газов и сыпучих материалов — требуется герметичный монолитный шов.
• Трубопроводы и технологические аппараты, котлы, элементы оборудования высокого давления — сварка по утверждённым технологиям с обязательным неразрушающим контролем.
• Конструкции, где требуется минимальная масса при максимальной прочности — судостроение, корпусные конструкции.
• Сложные пространственные узлы, не допускающие конструирования на болтах из-за геометрии.
• Зоны, где доступ для монтажа ограничен, а сварка возможна.

Как выбрать тип соединения

1. Определите тип конструкции и условия эксплуатации. Стационарное здание, мобильная конструкция, резервуар, мост, оборудование, работа при отрицательных температурах, агрессивная среда — каждый случай задаёт свои приоритеты.
2. Оцените требование разборности. Если предусмотрены демонтаж, перенос, частичная замена элементов, периодическое обслуживание — соединение должно быть болтовым.
3. Учтите режим нагружения. Статическая нагрузка — оба типа применимы. Знакопеременные циклические нагрузки (мостовые краны, мосты, опоры контактной сети) — требуется проектная оценка по выносливости; для сварных швов добавляются ограничения по концентраторам напряжений и качеству шва.
4. Оцените условия монтажа. Низкие температуры, высокая влажность, работа на высоте, отсутствие электроэнергии для сварки — доводы за болтовое. Стационарный заводской процесс с контролем атмосферы — допускает сварку.
5. Подберите марку крепежа или способ сварки. Болты — по ГОСТ 7798-70, ГОСТ 22353-77, ГОСТ Р 52643-2006 (или ГОСТ Р 53664-2009 для мостовых конструкций) с указанием класса прочности по ГОСТ Р 52627. Сварные швы — по ГОСТ 5264-80 (РДС), ГОСТ 14771-76 (в защитных газах), ГОСТ 8713-79 (под флюсом).
6. Спроектируйте контроль. Для болтовых соединений — контроль крутящего момента / угла поворота гайки для высокопрочного крепежа. Для сварных — обязательный ВИК, для ответственных швов — РК или УЗК, при необходимости — капиллярный и магнитопорошковый контроль.
7. Соблюдайте требования СП. Расчёт и проектирование — по СП 16.13330.2017, монтаж — по СП 70.13330.2012, защита от коррозии — по СП 28.13330.

Типичные ошибки

1. Замена высокопрочных болтов обычными. Самостоятельная подмена болта класса 10.9 или 12.9 на болт класса 5.8 или 8.8 «той же размерности» приводит к катастрофическому снижению несущей способности фрикционного или фланцевого соединения. Класс прочности — это маркировка на головке болта; сверять обязательно.
2. Контроль натяжения только «по моменту» без оценки коэффициента трения резьбы. Один и тот же момент при разных смазках и состояниях резьбы даёт разное реальное натяжение. Для высокопрочных болтов методика контроля назначается проектной документацией.
3. Сварка на монтаже без аттестации технологии и сварщика. Ответственные швы металлоконструкций должны выполняться по аттестованной технологии аттестованным персоналом; в противном случае шов не имеет правового статуса в составе несущей конструкции.
4. Сварка при отрицательных температурах без подогрева. Холодный металл и быстрое остывание сварного соединения провоцируют закалочные структуры, трещины, хрупкое разрушение. Технология должна предусматривать предварительный подогрев и контроль температуры межваликового интервала.
5. Игнорирование зон термического влияния. ЗТВ — критическая область сварного шва; её свойства отличаются от основного металла. Проектные узлы должны минимизировать концентраторы напряжений в ЗТВ.
6. Болтовое соединение под динамической нагрузкой без преднатяга. Обычное болтовое соединение склонно к самоотвинчиванию; для динамических нагрузок применяют стопорение, фрикционные соединения с контролируемым натяжением или контргайки.
7. Совмещение сварных и болтовых соединений в одном узле без согласования. Одновременная работа сварки и болтов в одном сечении даёт неравномерное распределение усилий; такие узлы рассчитывают и проектируют особо.

FAQ: болтовое или сварное соединение