Раздел 2. Металлические конструкции.
Тема 2.1. Общие сведения о металлических конструкциях.
1. Краткий обзор развития металлических конструкций.
2. Область применения металлических конструкций.
3. Достоинства и недостатки металлических конструкций.
4. Виды коррозий металлических конструкций.
5. Основные принципы проектирования.
Краткий обзор развития металлических конструкций (самостоятельно).
Область применения металлических конструкций.
Металлические конструкции применяются главным образом для сооружений с большой высотой, пролетом и нагрузкой.
В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции делятся на:
‒ листовые конструкции (резервуары, бункеры, силосы, трубопроводы большого диаметра и т.д.);
‒ стрежневые конструкции (каркасы промзданий, большепролетные покрытия, мосты, мачты, башни и т.д.).
Достоинства и недостатки металлических конструкций.
Достоинства:
‒ высокая несущая способность при небольших сечениях;
‒ высокая надежность;
‒ легкость и транспортабельность;
‒ газо- и водонепроницаемость;
‒ индустриальность (т.е. возможность организовать выпуск изделий на высокомеханизированном заводах без затрат ручного труда);
‒ быстрота монтажа (благодаря простоте соединений при помощи сварки или болтов =˃ сокращаются сроки строительства).
Недостатки:
‒ коррозия (защита требует средств =˃ повышается стоимость эксплуатации);
‒ высокая стоимость;
‒ малая огнестойкость (при пожаре возможно обрушение незащищенных металлических конструкций).
Виды коррозий металлических конструкций и их характеристики.
Виды коррозий металлических конструкций и их характеристики:
1.Сплошная коррозия характерна для стали, алюминия, цинковых и алюминиевых защитных покрытий в любых средах, в которых коррозионная стойкость данного материала или металла покрытия недостаточно высока. Этот вид коррозии характеризуется относительно равномерным по всей поверхности постепенным проникновением в глубь металла, то есть уменьшением толщины сечения элемента или толщины защитного металлического покрытия. После механического удаления продуктов коррозии до чистого металла поверхность конструкции оказывается шероховатой, но без очевидных язв, точек коррозии и трещин. Наиболее подверженными этому виду коррозии участками, как правило, являются узкие щели, зазоры, поверхности под головками болтов, гайками, другие участки скопления пыли и влаги.
2.Коррозия пятнами характерна для алюминия, алюминиевых и цинковых покрытий в средах, в которых их коррозионная стойкость близка к оптимальной и лишь случайные факторы могут вызвать местное нарушение состояния материала. Этот вид коррозии характеризуется небольшой глубиной проникновения коррозии. При его выявлении необходимо установить причины и источники временных местных повышений агрессивности среды за счет попадания на поверхность конструкции жидких сред (конденсата, атмосферной влаги при протечках и т.п.), локального накопления или отложения солей, пыли и т.д.
3.Язвенная коррозия характерна в основном для углеродистой и низколегированной стали (в меньшей степени – для алюминия, алюминиевых и цинковых покрытий) при эксплуатации конструкций в жидких средах и грунтах. Язвенная коррозия характеризуется появлением на поверхности конструкции отдельных или множественных повреждений, глубина и поперечные размеры которых (от долей миллиметра до нескольких миллиметров) соизмеримы. Язвенная коррозия листовых конструкции, а также элементов конструкций из тонкостенных труб и прямоугольных элементов замкнутого сечения со временем переходит в сквозную, с образованием отверстий в стенках толщиной до нескольких миллиметров. Язвы являются острыми концентраторами напряжений и могут оказаться инициаторами зарождения усталостных трещин и хрупких разрушений. Для оценки скорости язвенной коррозии и прогнозирования ее развития в последующий период определяют средние скорости проникновения коррозии в наиболее глубоких язвах и количество язв на единицу поверхности. Эти данные в дальнейшем следует использовать при расчете несущей способности элементов конструкций.
4.Точечная (питтинговая) коррозия характерна для алюминиевых сплавов, в том числе анодированных, и нержавеющей стали. При обнаружении питтинговой коррозии необходимо выявить источники хлоридоввозбудителей процесса и возможности исключения их воздействия на металл.
Питтинговая коррозия представляет собой разрушение в виде отдельных мелких (не более 1 ÷ 2 мм в диаметре) и глубоких (глубина больше поперечных размеров) язв. О скорости проникновения коррозии судят по тем же характеристикам, что и при язвенной коррозии. Глубину наиболее крупных питтингов можно измерить индикаторами часового типа со щупами в виде тонких прочных иголок, менее крупных питтингов – под оптическим микроскопом после отбора проб для лабораторного анализа.
5.Межкристаллитная коррозия. Характерна для нержавеющей стали и упрочненных алюминиевых сплавов, особенно на участках сварки, и характеризуется относительно равномерным распределением множественных трещин на больших участках поверхности конструкций. Глубина трещин обычно меньше, чем их размеры на поверхности. На каждом участке развития этого вида коррозии трещины практически одновременно зарождаются от многих источников, связь которых с внутренними или рабочими напряжениями не является обязательной. Под оптическим микроскопом на поперечных шлифах, изготавливаемых из отобранных проб, видно, что трещины распространяются только по границам зерен металла. Отдельные зерна и блоки могут выкрошиваться, в результате чего образуются язвы и поверхностное шелушение. Основной характеристикой межкристаллитной коррозии является средняя скорость проникновения коррозионных трещин в глубь металла, устанавливаемая в соответствии со стандартами.
6.Коррозионное растрескивание – вид квазихрупкого разрушения стали и высокопрочных алюминиевых сплавов при одновременном воздействии статических напряжений растяжения и агрессивных сред; характеризуется образованием единичных и множественных трещин, связанных с концентрацией основных рабочих и внутренних напряжений. Трещины могут распространяться между кристаллами или по телу зерен, но с большей скоростью в плоскости, нормальной к действующим напряжениям, чем в плоскости поверхности.
Углеродистая и низколегированная сталь обычной и повышенной прочности (σв > 600 МПа) подвергается этому виду коррозии в ограниченном количестве сред: горячих растворах щелочей и нитратов, смесях СО-СО2-Н2-Н2О, жидком аммиаке и в средах, содержащих сероводород. Коррозионное растрескивание высокопрочной стали, например высокопрочных болтов, и высокопрочных алюминиевых сплавов может развиваться как в атмосферных условиях, так и в различных жидких средах.
При установлении факта повреждения конструкции коррозионным растрескиванием необходимо убедиться в отсутствии признаков других форм квазихрупкого разрушения (хладноломкости, усталости). Для этого к проведению обследования необходимо привлекать специалистов в области металловедения, проводить фрактографический анализ проб, в некоторых случаях – химический анализ материалов на содержание водорода. Разрушение отдельных элементов конструкций (высокопрочных болтов, канатов и т.п.) в результате коррозионного растрескивания обычно происходит внезапно. Лишь в листовых конструкциях возможно постепенное развитие трещин, за которыми можно вести наблюдение. Тогда о степени интенсивности коррозионного растрескивания судят по средней скорости роста наиболее длинных трещин.
7.Коррозионная усталость – вид квазихрупкого разрушения материалов при одновременном воздействии циклических напряжений и жидких агрессивных сред. Она характеризуется теми же внешними признаками, что и коррозионное растрескивание. Об интенсивности коррозионной усталости судят по количеству циклов, которое элементы конструкций могут выдерживать до зарождения трещин, или по скорости роста наиболее длинных трещин в листовых конструкциях.
8.Расслаивающая коррозия присуща алюминиевым сплавам и характеризуется разделением металла по границам зерен в плоскостях, параллельных плоскости горячей деформации (прокатки, прессования, экструзии и т.д.). Внутри металла по плоскостям разделения образуются продукты коррозии алюминия. Расслаивание одновременно распространяется из нескольких источников и может происходить в нескольких параллельных плоскостях. Как частный случай расслаивающей коррозии можно рассматривать и поверхностное шелушение, описанное выше.
9.Контактная (гальваническая) коррозия выражается в резком, чаще всего местном, увеличении глубины проникновения сплошной коррозии одного из двух разнородных металлов или сплавов, между которыми существует электрический контакт за счет механической связи и одновременного воздействия одной и той же электропроводной среды (электролита) на оба металла или сплава. Зона распространения контактной коррозии определяется равномерностью распределения электролита на поверхности конструкций и его электропроводностью. При атмосферной коррозии сплошная пленка влаги (электролита) обычно очень тонка, не всегда равномерно распределяется по поверхности конструкций и, следовательно, характеризуется значительным электросопротивлением. В связи с этим протяженность зоны действия условий, способствующих протеканию контактной коррозии, составляет от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров от непосредственной границы контакта между разнородными металлами.
Зона контактной коррозии в сплошных электропроводных средах (природных и технических водах, грунтах и т.п.) может распространяться на расстоянии до нескольких десятков метров. В этом случае важнейшей характеристикой опасности контакта является соотношение площадей поверхности элементов из более благородного (катодного) металла или сплава и менее благородного (анодного). Чем больше отношение площади катода к площади анода, тем интенсивнее протекает разрушение элементов конструкций из менее благородного материала.
10.Щелевая коррозия в чистом виде присуща конструкциям из нержавеющей стали и других пассивирующихся материалов в агрессивных жидких средах, в которых материалы вне узких щелей и зазоров устойчивы благодаря пассивному состоянию, то есть вследствие образования на их поверхности защитной пленки. Из-за недостаточного доступа кислорода в узкие щели и зазоры пассивное состояние стали в них неустойчиво, металл в щелях становится анодным по отношению к металлу вне щелей и зазоров, и коррозия протекает подобно контактной.
11.Коррозия в результате неравномерной аэрации характерна для протяженных стальных конструкций, подвергающихся воздействию жидких сред или грунтов с высокой электропроводностью. Связана с неравномерным доступом кислорода к различным участкам поверхности конструкций, например вследствие различной плотности грунтов, экранирования части поверхности неметаллами, в частности, отслаивающимися полимерными покрытиями, и т.п. Анодными становятся участки, доступ кислорода к которым наиболее ограничен, а доступ электролита обеспечен. Коррозия на этих участках протекает подобно контактной.
12.Коррозия, вызываемая токами от внешних источников, присуща конструкциям, описанным в предыдущем абзаце. Однако движущей силой процесса является не неравномерная аэрация, а постоянные токи от посторонних источников, случайно попадающие в протяженные конструкции вследствие отсутствия или неисправности электроизоляционных, заземляющих, электродренажных и тому подобных устройств. Примерами таких источников являются рельсовый транспорт (для подземных конструкций), сварочные агрегаты, гальванические ванны и т.п. Коррозии подвергаются те участки конструкций, с которых стекают положительные заряды. Коррозия протекает подобно контактной.
