Инженерные байки. кбгс-450

               
«...И на Волге, и на Каме,
И на всех сибирских ГЭС
Трудится любимый нами,
Твой, Юр, кран КБГС...»

Так звучал один кусочек из поздравительных частушек, которые мы с нашей подругой Сашей распевали на юрином юбилее, кажется, 60-летии. Пели на известный мотив «Ярославские ребята», слова придумала сама Саша. А этот самый КБГС (кран башенный гидростроительный) Юра в свое время спроектировал, когда работал в нашем бюро. И с этим краном произошли интересные приключения, а я оказался их непосредственным участником.

Вообще-то в нашем бюро строительные краны никогда не проектировали. Мы  разрабатывали подъемные механизмы и краны для маневрирования гидротехническими затворами. Все это проектировалось на основе норм и стандартов ВНИИНМАШа. Но на строительные краны эти стандарты не распространялись. Строительная отрасль в СССР, как и железные дороги, была на особом положении, для нее вместо Госстандарта существовал Госстрой, а вместо ВНИИНМАШа – ВНИИСтройдормаш. Для проектирования башенных кранов действовали отраслевые нормы, с которыми мы плохо были знакомы.

Кран КБГС-450 предназначался для подачи бетона на строительстве ГЭС, плотин, шлюзов.  Цифры 450 означают максимальный грузовой момент, т.е.кран должен поднимать 10-тонный груз на вылете до 45 метров. Это очень много, таких кранов у нас еще не было. Гидросооружения имеют большую протяженность, поэтому кран должен ездить вдоль фронта работ по рельсовым путям. Опорная часть башни - портал, под ним должен проезжать грузовой транспорт – самосвалы, бетоновозы и пр. В портале жестко закреплена 50-метровая башня, а наверху  располагается поворотная часть – горизонтальная стрела с противовесом на хвосте. Вдоль стрелы ездит грузовая тележка.

Кран изготавливали под Москвой на Чеховском заводе «Гидростальконструкция» нашего треста «Гидромонтаж». И два первых крана (фактически, это были опытные образцы) отправили в Сибирь на строительство Красноярской ГЭС. А следующие десять штук через «Машиноэкспорт» были проданы за границу. В то время на Дунае (по нему пролегала граница между Румынией и Югославией) разворачивалась грандиозная стройка – гидроузел «Железные ворота», самый крупный на Дунае. Так что восемь наших кранов попали к румынам, а два – к югославам. 

Примерно через год в Москву пришли тревожные собщения: на нескольких кранах румыны обнаружили опасные трещины в нижних раскосах башни -  там, где она закреплена в портале. «Машиноэкспорт» и наше торгпредство потребовали срочно командировать в Румынию ответственных специалистов. К этому моменту в бюро не было никого из авторов проекта, Юра уже давно возглавлял монтажный участок на одной из крупнейших среднеазиатских ГЭС, так что выбор пал на меня (я тогда руководил в бюро нормативно-расчетным отделом). Вместе со мной командировали директора завода-изготовителя, он раньше уже работал в Румынии и даже немного знал язык. Нужно было ответить на два вечных вопроса: кто виноват и что делать. В голову сразу пришло: а что там в Сибири? Срочно телеграммой отправили запрос и получили ответ: после двух лет работы оба крана в порядке, в указанных нами местах никаких трещин не обнаружено. Вооружившись этой информацией и прихватив с собой свежий номер «Правды», где на первой странице было фото с кранами КБГС-450 на стройке Краноярской ГЭС, мы прибыли в Бухарест. А было это в декабре, в предрождественские дни.

В торговом представительстве на нас сразу обрушилась пугающая новость: на стройке упал какой-то башенный кран. Неужели наш? Потом выяснилось, что речь идет о маленьком французском кране, который завалился из-за головотяпства румынских строителей (крановщица в своем скворешнике, к счастью, не пострадала). Руководитель торгпредства очень нервничал, ведь расходы на эту стройку составляли более половины бюджета Румынии, а наши краны были там основным бетоноукладочным механизмом. Обнаружив на них трещины и осмотрев сварные швы, местные органы надзора запретили работать при температуре ниже 0°С. «Ерунда, краны хорошие, посмотрите, как успешно они уже третий год работают при сибирских морозах, - говорили мы и показывали фото из «Правды». «Ребята, разберитесь, - сказал нам торгпред, - я очень вас прошу, и постарайтесь снять эти ограничения, иначе скандала не избежать».

Картина, которую мы увидели на стройке, была удручающая. На шести кранах из восьми нижние раскосы башни имели трещины. Они начинались от конца сварного шва,  присоединяющего раскос к поясу башни. Пара раскосов лопнула полностью. На стройке в то время работали в качестве консультантов несколько инженеров из нашего треста. По их совету дефектные узлы отремонтировали просто, по-мужицки: приварили огромные полуметровые фасонки, перекрывающие участки с трещинами.

В качестве металла у нас сомнений не было. Все краны изготовляли из привычной для нас мостовой стали М16С, она применялась для оборудования и конструкций, работающих при температурах до минус 25°C. Для подтверждения мы тут же отдали образцы металла с кранов на испытания (поблизости на Дунае были румынские судостроительные предприятия с лабораториями). Информация с Красноярской ГЭС была нашим козырем. «Смотрите, - говорили мы румынам, - ведь там все в норме, наверное, у вас с эксплоатацией что-то не в порядке». А тем временем я скрупулезно изучал конструкцию и расчет нижней секции башни, а также штудировал отраслевые нормы, по которым был выполнен проект. И в конце концов нашел ошибку. Там в нормах было одно неприметное примечание, на которое, повидимому, разработчики не обратили внимания.  Из-за этого в узлах, где раскосы присоединены к поясам башни, действовали значительные изгибающие моменты, поэтому напряжения в нижних раскосах башни оказались существенно выше допустимых.
По счастью, у нас была возможность измерить уровень напряжений в опасных точках. Я на всякий случай прихватил с собой несколько старых механических тензометров Гугенбергера. Эти приборы - образцы точной немецкой механики – в нашем бюро уже не использовали, они были списаны, уступив место электротензометрии. Но я их любил и хранил, они позволяли довольно просто и быстро, без пайки, проводов и злектроприборов оценить уровень напряжений в металле с точностью до 50-100 кг/см2. Измерения подтвердили мои расчеты – напряжения при подъеме 10 тонн на полном вылете достигали примерно 1700 кг/см2, а с учетом дополнительной нагрузки от ветра и концентрации напряжений у фланговых швов можно было ожидать, что там они будут существенно выше 2000 кг\см2. Так что причина образования трещин была найдена. Но мы пытались понять, почему два румынских крана из восьми до сих пор не имеют никаких трещин, как и в Сибири. Я сделал схему-план стройки, на котором были видны все восемь кранов, и анализировал, как поворачивается стрела каждого из них, пока он несет бадью от бетоновоза до места бетонирования. И тогда картина прояснилась: самые серьезные разрушения были у тех кранов, которые поднимали груз на большом вылете и затем под нагрузкой разворачивали стрелу почти на 180°. При каждой такой операции растягивающее усилие в раскосе сменялось сжимающим, т.е. раскос подвергался циклическим знакопеременным нагружениям (самый опасный цикл). У кранов, которые поворачивали стрелу на ограниченный угол до 90°, трещины были меньше, так как раскосы подвергались циклическим нагружениям одного знака (так называемый пульсирующий цикл). А краны, у которых трещин вообще не было, несли груз почти без вращения стрелы и на ограниченных вылетах. Такие же благоприятные условия работы кранов были и на Красноярской ГЭС (это мы установили позже), и у двух кранов, работающих на югославской стороне, мы успели их осмотреть в последний день года 31 декабря.

Каждому с детства знаком прием, которым все пользуются, чтобы сломать мягкую проволоку. Для этого ее попеременно сгибают в противоположные стороны. Место перегиба становится хрупким и проволока ломается. Нечто подобное происходило и здесь. Мы имели дело с так называемой малоцикловой усталостью металла. Если обычно количество циклов до усталостного  разрушения  измеряется сотнями тысяч и даже миллионами, то при высоких напряжениях и пластических деформациях металла разрушение может наступить уже при количестве циклов в несколько десятков тысяч. В данном случае при интенсивной круглосуточной работе кранов такое количество достигалось за 6-12 месяцев.

Мы срочно разработали проект усиления опасных узлов на всех восьми кранах. Для восприятия действующих в этих узлах изгибающих моментов использовали установку фасонок. Их конфигурация была такой, чтобы концентрация напряжений была минимальной. С этой же целью предусмотрели лобовые швы специальной формы. И подписали разрешение работать  при температурах до минус 20°C.

Так был решен вопрос «что делать». Сложнее было с «кто виноват». Ведь хотелось защитить честь мундира: министерства, треста, бюро. Но тут нам неожиданно повезло. Румыны принесли нам результаты лабораторной проверки металла. Взглянув, мы просто ахнули. Их химанализ показал содержание углерода более 1%, будто это был чугун, а не сталь. Зато механические характеристики оказались запредельно хорошими, как у какой-то неведомой высокопрочной, и одновременно чрезвычайно пластичной стали. «Так не бывает, это же фантастика! Или там у вас все пьяные?» - говорили мы. Румыны кивали и смущенно улыбались. Мы потребовали, чтобы нам вырезали еще образцы металла, которые мы сами испытаем дома. Так что, когда в Бухаресте торгпред спросил нас про причины, мы ответили, что нам они до конца еще не ясны, сославшись на дурацкий анализ металла. А в целом он был доволен результатом и поблагодарил нас за работу.

В Москве результаты испытаний металла были ожидаемые – все соответствовало привычной нашей стали М16С. После этого я с двумя техниками отправился в командировку в Сибирь, там на Красноярской ГЭС мы выполнили более подробное тензометрическое исследование нижней секции башни крана. Оно подтвердило и уточнило выводы, сделанные в Румынии. Через завод мы разослали наши рекомендации по усилению узлов всем пользователям кранов КБГС-450, а для будущих кранов этой серии выпустили новый чертеж нижней секции, в котором были исправлена ошибка проекта и исключены опасные изгибающие моменты в узлах.

Но это еще не конец истории. Года через три-четыре мы с директором завода снова оказались в Румынии, нам надо было осмотреть все краны после нескольких лет работы.  На этот раз это было летом. К тому времени гидроузел «Железные ворота» уже был закончен, и наши краны разбрелись оттуда по более мелким стройкам, где – один кран, где – пара. Чтобы все их увидеть, мы в течение недели проехали на «Волге» три с половиной тысячи км, объехали всю эту красивую страну, от моря и Дуная до гор на севере. И в конце поездки в городе Тимишоара встретились с румынскими конструкторами, которые показали нам свой собственный проект новой нижней секции башни. Я увидел, что они сделали точно то же, что и мы, и сказал об этом. «Скажите, - спросил один, - эти трещины были результатом недостатков проекта?» Как инженер инженеру, испытывая уважение к их квалификации, я честно ответил «да», и мой ответ их удовлетворил.

               
                Фото - из архива автора