Учебное пособие 800322

Предел текучести. Высокотемпературное наводороживание низкоуглеродистой стали приводит к полному исчезновению площадки текучести и понижению предела текучести.

Высокотемпературное наводороживание приводит к понижению предела текучести и полному исчезновению площадки текучести (кривая 2, рис. 4.2). Последующий отпуск частично восстанавливает площадку текучести стали, но величина предела текучести остается меньше исходного значения. В ряде случаев последующая нормализация в вакууме полностью восстанавливает площадку текучести, однако предел текучести восстанавливается лишь частично.

Прочность. Снижение предела прочности стали на растяжение в результате наводороживания в сероводородных растворах, происходит тем сильнее, чем выше исходная прочность металла.

Технологическая операция закалки стали снижает её пластичность в сероводородсодержащей среде (например, под воздействием раствора H2S).

На рисунке отражена графическая зависимость величины снижения предела прочности стали (0,43 % С, 0,89 % Мn) после выдержки в течение 200 ч в насыщенном сероводородном растворе щавелекислого калия от исходной прочности металла.

Глава 5. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ КОРРОЗИИ И ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1. Рациональные формы сечений

Выбор рациональной формы сечения, как и марок сталей, является одним из определяющих условий повышения долговечности отдельных элементов и конструкций в целом. Распределение коррозии элементов разных форм в силу различных условий их увлажнения, запыленности, обтекания воздушными струями, продолжительности нахождения на поверхности образующейся пленки влаги, степени экранирования будет неодинаковым. Имеет место большая неравномерность коррозии, существенное различие коррозионного износа отдельных участков по периметру сечения.

На основании многочисленных теоретических и экспериментальных исследований доказано, что характер коррозионного разрушения определяется условиями взаимодействия агрессивной среды и конструктивной формы.

Увеличение степени агрессивности воздействий на элементы конструкций предъявляет возрастающие требования к показателям долговечности.

Распределение коррозии по периметру сечения стальных профилей. На рис. 5.1 приведены результаты лабораторных испытаний во влажной камере ряда характерных сечений элементов на коррозионный износ при одинаковых условиях воздействия среды.

40

Рис. 5.1. Распределение коррозии по периметру сечения стальных профилей (лабораторные испытания):

цифры обозначают потери веса пластинок коррозии в граммах

Наиболее благоприятными с точки зрения меньшего коррозионного износа и большей равномерности коррозии являются сечения слитные, гладкие в виде круглых и прямоугольных труб. Худшие показатели у сечений из уголков и швеллеров со щелями, Н-образных профилей, где горизонтальная стенка постоянно увлажнена. Из рисунка видно, что степень неравномерности в распределении коррозии достигает 10 единиц. Слитные сечения, не имеющие участков, в которых скапливается и длительно задерживается влага, частицы соли и пыль, коррозируют более равномерно.

Переходя от традиционных типов сечений сквозных конструкций из двух уголков к трубчатым, коробчатым, монолитным тавровым и даже к сечениям из одиночных уголков, можно уменьшить коррозионный износ более чем в 2 раза.

Коррозионная стойкость сечений. Неравномерный характер коррози-

онного разрушения определяется показателями слитности и обтекаемости. Устойчивость конструктивной формы против коррозии характеризует

коэффициент слитности β:

β = А/0,383·Р,

где А – площадь сечения; Р – наружный периметр, подвергающейся воздействию коррозионной среды; 0,383 – коэффициент устойчивости против коррозии уголков толщиной 8 мм, принятый за 1.

Изменение коэффициента слитности сечения β для различных типов сечений конструктивных элементов показано на рис. 5.2.

41

Рис. 5.2. Устойчивость конструктивных форм против коррозии

Расчет коэффициентов β произведен из условия компоновки элементов с одинаковой площадью сечения. Увеличение показателя слитности свидетельствует о повышении коррозионной стойкости при прочих равных условиях. Скорость коррозии конструктивных элементов, как следует из табл. 5.1, зависит от скорости испарения влаги при обтекании элементов воздухом.

Коррозионную стойкость сечений можно оценить через относительный коэффициент К0 (в качестве эталона принято трубчатое сечение):

К0 = υi max / υтруб. max ,

где υi max–максимальная скорость коррозии какого-либо из рассматриваемых сечений; υтруб. max–максимальная скорость коррозии круглого трубчатого сечения.

Результаты сравнения стойкости рассмотренных типов сечений приведены на рис. 5.2. Коэффициент К0 = 1,0…1,9 показывает на существенное различие в их коррозионной стойкости.

42

Рис. 5.2. Относительные коэффициенты коррозионной стойкости сечений

Из диаграммы видно, что более равномерный характер распространения коррозии по периметру у обтекаемых сечений. Наиболее обтекаемым является круглое трубчатое сечение; продолжительность образования пленки влаги на его поверхности при обтекании воздушными струями минимальная.

Рациональное конструирование должно предотвращать возможность скопления на поверхности конструкций атмосферной влаги, конденсата, производственной пыли и жидких агрессивных выделений.

Таблица 5.1 Показатели коррозионной стойкости конструктивных элементов

Профиль							Скорость коррозии	Относительная	Относительная
							во влажной камере,	коррозионная	скорость испарения
							мм/год	стойкость	влаги при обтекании
									воздухом
							0,112	1	1
							0,127	1,13	1,15
							0,13	1,16	1,3

43

														Окончание табл.5.1
												0,131	1,17	1,23
												0,142	1,27	1,23
												0,146	1,3	1,46
												0,152	1,35	2,23
												0,174	1,55	1,4
												0,179	1,6	1,23
												0,199	1,8	1,9
												0,213	1,9	1,6

Образование застойных зон в виде пазух, карманов и узких щелей затрудняет удаление загрязнений и способствует развитию местной коррозии.

5.2. Влияние вида соединений на коррозионную стойкость

Неплотное прилегание сопряженных элементов, создание конструктивных зазоров вызывает различные появления щелевой коррозии. Следует поэтому избегать соединений внахлёстку (рис.5.3, а), либо их тщательно герметизировать за счёт дополнительных прокладок и двусторонних сплошных сварных швов (рис. 5.3, б). Степень опасности коррозионного разрушения возрастает при уменьшении жесткости стыка, поэтому болтовые соединения, особенно на высокопрочных болтах, более устойчивы против щелевой коррозии, чем заклёпочные.

44

Рис. 5.3. Влияние вида соединения конструктивных элементов на коррозионную стойкость:

а – соединения, способствующие щелевой коррозии;

б- конструктивные меры по снижению опасности щелевой коррозии;

1– прокладка; в – предотвращение контактной коррозии в соединении: 1 – алюминий; 2 – сталь; 3 – изоляционный вкладыш

Для предотвращения коррозионного растрескивания не допускается проектировать стальные конструкции с соединениями на высокопрочных болтах из стали марки 30Х3МФ и заклёпках из стали 09Г2 для зданий и сооружений в слабоагрессивных средах, содержащих сернистый ангидрид или среднеагрессивными и сильноагрессивными средами.

Возникновение контактной коррозии между сварным швом и основным металлом предотвращается правильным назначением материалов для сварки в зависимости от марки стали и степени агрессивности среды (табл. 5.2).

45

Таблица 5.2

Материалы для сварки стальных конструкций в агрессивных средах, соответствующие маркам низкоуглеродистой стали

	Степень		Марки материалов для сварки
	Агрессивного	Марки стали	Сварочной проволоки		Покрытых
	воздействия			В углекислом
			Под флюсом		электродов
	среды			газе
		10ХНДП	Св-08х1ДЮ	ППВ-5К*	ОЗС-18
			Св-10НМА
	Слабоагрессивная	10ХДП	Св 08ХМ	Св-08ХГ2СДЮ	ОЗС-24
					АН-Х7, ОСН-3
		10ХСНД	Св-10НМА	Св-08ХГ2СДЮ
		15ХСНД	Св-08ХМ		Э138-45Н
					Э138-50Н**
		10ХСНД	Св-10НМА.	Св-08ХГ2СДЮ
		15ХСНД	Св-08ХМ		АН-Х7, ВСН-
		10ХНДП	Св-08х1ДЮ,	Св-08ХГ2СДЮ	3,, Э138-45Н,
			Св-10НМА,	Св-08Г2С	ОЗС-24,
		10ХДП	Св-08ХМ,		Э138-50Н,
				Св-08Г2СЦ
		09Г2С	Св-10Г2,		ОЗС-18
	Средне- и сильно-	10Г2С1	Св-10ГА,		УОНИ13/55
	агрессивная		Св-08ГА
		18Г2АФпс,		Св-08Г2С
		16Г2АФ
				Св08Г2СЦ	УОНИ13/65
		15Г2АФДпс
				Св-10ХГ2СМА
		14Г2АФ
		12ГН2МФАЮ	Св-08ХГН2МЮ	Св-10ХГ2СМА	Любые типа
		12Г2ОМФ			Э70

5.3. Влияние вида стали на коррозионную стойкость элементов конструкций

Стали обычной прочности (σу <29 кН/см²). К этой группе относят низ-

коуглеродистые стали (С235…С285) различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии. Обладая относительно небольшой прочностью, эти стали очень пластичны, хорошо свариваемы. Коррозионная стойкость средняя, поэтому конструкции, выполненные из сталей обычной прочности, следует защищать с помощью лакокрасочных и других покрытий.

Стали повышенной прочности. (29 кН/см² < σу < 40 кН/см²) получают либо введением при выплавке стали легирующих добавок (марганца, кремния, никеля или хрома) (С345… С 390), либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С245Т). Стали повышенной прочности несколько хуже свариваются. По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы близки к низкоуглеродистым сталям. Более высокой коррозионной стойко-

46

стью обладают стали с повышенным содержанием меди (С245Д, С375Д,

С390Д).

Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости металлических конструкций применяют низколегированные стали, содержащие в небольшом количестве (доли процента) такие элементы, как хром, никель и медь.

Вконструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавками фосфора (С345к). На поверхности таких сталей образуется тонкая оксидная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищающая сталь от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличие фосфора ухудшается. Применение стали С345к рекомендуют при толщинах не более 10 мм.

Вконструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мембранные покрытия), широко используют тонколистовой прокат. Для повышения долговечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки 0Х18Т1Ф2, не содержащей никеля. Свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяет применять его в конструкции при расчетных температурах до -40 ˚С.

Рекомендации по рациональному проектированию элементов и конструкций с повышенной коррозионной стойкостью. Рекомендации основаны на требованиях норм по защите конструкций от коррозии и примерах, осуществленных и запроектированных конструкций. Принятие окончательного решения должно обосновываться с учетом требований конструктивнотехнологических, экономических, эксплуатационных и др. Эти рекомендации сводятся к следующим положениям:

• отказ от компоновки сечений с образованием щелей при эксплуатации

всредах с большими газовыделениями, пылеотложениями и высокой влажностью. Нормы запрещают применение металлических конструкций с тавровыми (двутавровыми из швеллеров) сечениями из двух и крестовыми из четырех уголков, с незамкнутыми прямоугольными сечениями в сооружениях с сильно- и среднеагрессивными средами. Это относится прежде всего к элементам покрытий. Примеры конструкций с повышенной коррозионной стойкостью показаны на рис. 5.4;

• применение трубчатых сечений (рис. 5.4, е, д). Это особенно выгодно при больших пролетах и шагах ферм;

• применение сплошностенных элементов без мест и участков скопления пыли, влаги. При большой запыленности может быть приемлема двухстенчатая балка (рис. 5.4, и). Меньшее скопление пыли отмечается в двутавровых балках и колоннах в вариантах, показанных на рис. 5.4, к – м. Целесообразно предусматривать просверливание отверстий в швеллерах, расположенных горизонтально полками вверх, а также вырез в элементах баз колонн для стока воды из замкнутых отсеков;

47

•компоновки сечений без острых углов, ребер, труднодоступных участков, отказ от прерывистых сварных швов. В варианте сечения с закругленными кромками (рис. 5.4, р) по данным лабораторных испытаний (с жестким режимом), разрушение покрытий (эмаль ХВ-785) начинается только через 131 день, в то время как при острых кромках – через 62 дня. Строжка кромок в двутавровой балке (рис. 5.4, с) повышает стойкость покрытия почти в два раза;

•использование принципа концентрации материалов, совмещения функций. Нормы регламентируют шаг колонн и стропильных ферм в зданиях для производств со средне- и сильноагрессивными средами 12 м и более. Соблюдение этого принципа на примере типовых стропильных ферм из обычных спаренных уголков показывает, что коррозионная стойкость при увеличении пролета с 18 до 36 м возрастает в 1,6 раза, а при увеличении шага - в 1,3 раза. Компоновка ферм с более мощными сечениями является прямым путем повышения долговечности, так как ведет к снижению поверхностного контакта конструкции с агрессивной средой и уменьшению стоимости защиты.

Рис. 5.4. Схемы возможных конструктивных решений стальных элементов с повышенной коррозионной стойкостью

48

5.4. Оценка степени коррозионного повреждения металла в конструкциях

Изменение массы образцов. Коррозионные потери массы образца m определяются для оценки равномерной коррозии по формуле

m=( mо- m1)/S ,

где mо - первоначальная масса образца, г; m1-масса образца после удаления продуктов коррозии, г; S поверхностность образца, м2.

Также изменение массы образцов можно охарактеризовать весовым показателем коррозии

km= m/S tи ,

где m – потери или прибыль массы; S – площадь поверхности образца; tи – продолжительность испытаний.

Исследуемый образец взвешивается до испытания, а затем после испытания и удаления с него продуктов коррозии. Полученная разность представляет собой количество окислившегося металла. Если продукты коррозии прочно держатся на поверхности металла, то скорость коррозии характеризуется увеличением массы. В этом случае повторно образец взвешивается с продуктами коррозии.

Для оценки коррозионной стойкости металлов по потере массы применяется пятибалльная шкала, приведенная в табл. 5.2.

Глубина коррозионных поражений стали. Уменьшение толщины стальных образцов или глубина коррозионных поражений h1(мм) при условии равномерной коррозии составляет

h1= m/ρ 10-3 ,

где ρ - плотность металла.

При неравномерной коррозии производится оценка глубины коррозионных поражений

P=h2/h1 ,

где Р коэффициент питтингообразования; h2 - глубина коррозионных поражений при неравномерной коррозии.

Глубинный показатель коррозии

kh=h/tи ,

где h – глубина (средняя или максимальная) коррозионного разрушения металла; tи – продолжительность испытаний.

49