Tại sao hàn khung kết cấu thép không thành công và cách phòng ngừa?

Nguyên nhân phổ biến nhất gây ra lỗi hàn khung kết cấu thép

Không phải tất cả các lỗi hàn đều như nhau. Dữ liệu từ nhiều phân tích lỗi kết cấu thép quy mô lớn cho thấy sự phân cấp rõ ràng. Các vấn đề về tay nghề và thi công được xếp hàng đầu, tiếp theo là sự không phù hợp giữa quy trình vật liệu, hiện tượng nứt hydro, chi tiết thiết kế và sự xuống cấp liên quan đến dịch vụ. Các phần dưới đây xem xét từng nguyên nhân với chi tiết thực tế ở cấp độ hiện trường.

Nguyên nhân 1: Thi công và tay nghề hàn kém

Qua nhiều nghiên cứu pháp lý về hư hỏng kết cấu thép, các vấn đề trong thi công xây dựng luôn nổi lên như một nguyên nhân phổ biến nhất, vượt xa lỗi thiết kế và sai sót thông số. Những lý do không có gì bí ẩn. Hàn là một quá trình sử dụng nhiều thủ công và điều kiện hiện trường hiếm khi phù hợp với môi trường phòng thí nghiệm lý tưởng.

Các lỗi tay nghề điển hình bao gồm:

Sự hợp nhất không hoàn toàn ở các thành bên hoặc gốc

Cắt dọc theo ngón chân hàn

Gia cố mối hàn quá mức hoặc chồng chéo

Các miệng hố chưa được lấp đầy ở các đầu mối hàn

Hồ quang tấn công bên ngoài vùng hàn

Một hiểu biết sâu sắc quan trọng thường bị bỏ qua: ngay cả những thợ hàn được chứng nhận cũng phải đối mặt với khó khăn cao hơn đáng kể ở các vị trí thẳng đứng và trên cao so với hàn phẳng. Sự thay đổi vị trí này là nguồn gốc cốt lõi của sự biến động về chất lượng thực hiện. Một thợ hàn tạo ra các mối hàn ở vị trí phẳng hoàn hảo có thể gặp khó khăn với sự xuyên thấu nhất quán khi làm việc theo phương thẳng đứng, đặc biệt là trên các phần dày.

Nguyên nhân 2: Vật liệu cơ bản và quy trình hàn không tương thích

Sự không phù hợp về quy trình vật liệu đứng thứ hai về tần suất. Vấn đề thường xuất hiện ở hai dạng: thép tương đương carbon cao và hàn tấm dày.

Khi thép có lượng cacbon tương đương cao, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt có thể cứng lại đáng kể trong chu kỳ hàn nhiệt nhanh. Vùng cứng này trở nên giòn và dễ bị nứt. Ở các tấm dày, cường độ hạn chế tăng lên và tản nhiệt nhanh hơn, làm tăng thêm rủi ro.

Vết nứt do hydro gây ra ở kim loại mối hàn cường độ cao, đặc biệt ở phạm vi độ bền kéo 110.000 psi, thường biểu hiện dưới dạng vết nứt ngang xuất hiện vài giờ hoặc vài ngày sau khi hàn. Các điều kiện sử dụng ở nhiệt độ thấp làm tăng nguy cơ này vì chu trình nhiệt của mối hàn có thể gây ra hiện tượng giòn và giảm độ bền khi gãy.

Nguyên nhân 3: Nứt do hydro gây ra

Cracking do hydro gây ra, còn được gọi là crackinh chậm, là một cơ chế hư hỏng phụ thuộc vào thời gian. Nguyên tử hydro khuếch tán vào kim loại mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt trong quá trình hàn. Nếu chúng vẫn bị mắc kẹt và tập trung ở những vùng có ứng suất cao, chúng có thể gây ra các vết nứt hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày sau khi mối hàn nguội.

Chiến lược phòng ngừa dựa trên ba điểm kiểm soát:

Hàn tiêu hao khô: Các điện cực tiếp xúc với độ ẩm sẽ hấp thụ hydro. Kỷ luật nướng và lưu trữ là không thể thương lượng.

Nhiệt độ làm nóng trước: Việc làm nóng trước làm chậm tốc độ làm mát và cho phép hydro thoát ra trước khi bị giữ lại.

Xử lý nhiệt sau hàn: Đối với các phần dày và thép cường độ cao, việc ngâm sau hàn giúp khuếch tán lượng hydro còn lại.

Lỗ hổng quản lý hiện trường phổ biến nhất rất đơn giản: các điện cực để hở qua đêm hoặc bảo quản không đúng cách. Một thợ hàn có thể làm theo mọi thông số một cách chính xác nhưng vẫn đưa hydro qua điện cực ẩm. Đây là lỗi về thủ tục và giám sát chứ không phải lỗi về kỹ năng.

Nguyên nhân 4: Thiết kế và sự tập trung ứng suất do chi tiết gây ra

Một số lỗi hàn bắt nguồn từ văn phòng thiết kế chứ không phải ở xưởng chế tạo. Vị trí hàn ở những vùng có ứng suất cao danh nghĩa, những thay đổi mặt cắt đột ngột và các chi tiết tạo ra sự hạn chế đều góp phần vào sự tập trung ứng suất.

Sau trận động đất Northridge, nghiên cứu sâu rộng cho thấy các chi tiết mối hàn giữa dầm với cột với các thanh dự phòng được giữ nguyên là nguyên nhân đáng kể gây ra hiện tượng gãy giòn. Thanh dự phòng tạo ra hiệu ứng khía ở gốc mối hàn, tập trung ứng suất và tạo ra vị trí bắt đầu cho sự lan truyền vết nứt.

Các biện pháp phòng ngừa phía thiết kế bao gồm:

Tránh đặt mối hàn ở những vùng có ứng suất danh nghĩa cao

Chỉ định kim loại hàn cứng, chẳng hạn như E71T-8, cho các ứng dụng địa chấn hoặc động

Loại bỏ các thanh dự phòng và mài mịn các gốc mối hàn nếu có thể

Sử dụng các chuyển đổi làm giảm sự tập trung ứng suất thay vì khuếch đại nó

Nguyên nhân này đặc biệt quan trọng đối với những người ra quyết định B2B vì nó không thể được giải quyết chỉ bằng cách hàn tốt hơn. Nó đòi hỏi sự phối hợp giữa thiết kế kết cấu và chế tạo.

Nguyên nhân 5: Độ mỏi và ăn mòn trong điều kiện sử dụng

Các mối hàn vốn rất nhạy cảm với hiện tượng mỏi. Chân mối hàn hoạt động như một điểm gián đoạn hình học, và bất kỳ khuyết tật nào hiện có, chẳng hạn như vết cắt chân hoặc sự xuyên thấu không hoàn toàn, sẽ trở thành tác nhân gây căng thẳng và có khả năng là vị trí bắt đầu vết nứt mỏi.

Trong môi trường ăn mòn, sự khác biệt điện hóa giữa kim loại mối hàn, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và kim loại cơ bản có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn cục bộ. Điều này đặc biệt có vấn đề trong môi trường biển hoặc môi trường công nghiệp có tiếp xúc với clorua.

Phòng ngừa mệt mỏi tập trung vào cải tiến và kiểm tra chi tiết:

Mài các ngón chân mối hàn để cải thiện biên dạng và giảm sự tập trung ứng suất

Sử dụng phương pháp xử lý tác động bằng sóng siêu âm hoặc mài mòn nếu khả thi

Áp dụng lớp phủ bảo vệ chú ý đến các khu vực hàn

Tiến hành kiểm tra định kỳ tập trung vào các chi tiết nhạy cảm với độ mỏi đã biết