Методики оценки и прогнозирование коррозионной стойкости строительных металлоконструкций в различных климатических зонах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГАОУВ НИТУ «МИСиС»

УДК:620.193.21

Дуб А.В., д.т.н.; Волкова О.В.

Dub Alexey Vladimirovich; Volkova Olga Vladimirovna

AlVDub@rosatom.ru; mail@expertcorr.misis.ru

Аннотация

В докладе рассматривается создание методик прогнозирования долговечности металлических элементов строительных конструкций навесных фасадных систем, основанных на результатах контроля коррозионных потерь материалов эксплуатируемых конструкций; разработка рекомендаций по выбору материалов для изготовления металлоконструкций как на этапе проектирования конструкций, так и при оценке их технического состояния в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: коррозионная стойкость металлоконструкций, долговечность, агрессивность атмосферы, климатические испытания.

Abstract

The report examines the creation of methods forecasting the durability metal elements of construction hinged front systems, based on the results of monitoring of corrosion losses in the operated structures; development of recommendations on the selection of materials for the manufacture of metal construction at both the structural design and in the evaluation of their technical condition during operation.

Keywords: corrosion resistance of steel structures, durability, aggressiveness atmosphere, climatic tests.

В настоящее время одним из важных требований к современным строительным металлоконструкциям является повышение ресурса при эксплуатации во всех климатических условиях. Достоверная оценка технического состояния и создание долговечных конструкций невозможны без учета влияния воздействия атмосферы и условий эксплуатации, а также нагрузок и прочностных характеристик материалов. Одной из главных причин сокращения сроков службы является проблема коррозионного разрушения элементов и узлов конструкции.

На кафедре Защиты металлов и технологии поверхности НИТУ "МИСиС" проводятся комплексные исследования с целью прогнозирования коррозионной стойкости строительных металлоконструкций при эксплуатации в различных климатических зонах, и анализ влияния материала утеплителя на коррозионную стойкость нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов и углеродистых сталей в условиях, близких к реальным средам применения. металлический строительный фасадный

Для выполнения своих функций металлические детали строительных конструкций кроме коррозионной стойкости также должны обладать комплексом свойств (таких как прочность, твердость, электро- и теплопроводность), которые в совокупности служат критериями при выборе конструкционного материала для их изготовления.

В навесных фасадных системах в основном используются три группы конструкционных материалов - углеродистые стали с дополнительными антикоррозионными покрытиями, алюминиевые сплавы и коррозионностойкие стали и их комбинации.

Металлоконструкции в процессе эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных компонентов внешней атмосферы, которое приводит к контактной коррозии разнородных материалов. Поэтому для определения коррозионной стойкости материалов НФС необходимо учитывать постоянный воздухообмен "внутренней" и внешней атмосфер, а также сезонное увеличение агрессивности среды. Кроме того, на элементах несущих конструкций происходит оседание пыли и конденсата водяных паров, содержащих агрессивные агенты, а через зазоры облицовки к ним проникают осадки в виде дождя или снега.

Кроме учета взаимодействия элементов подконструкций, изготовленных из разнородных металлических материалов, необходимо принимать во внимание одновременный контакт этих металлов с минераловатными утеплителями, которые, как правило, изготавливают на фенольной связке, коррозионная активность которой по отношению к элементам подконструкции ранее не учитывалась.

Коррозия - это разрушение металла в результате химической или электрохимической реакции. Однако, чисто химический процесс коррозионного разрушения встречается крайне редко. Для его протекания идеально чистая металлическая деталь должна быть полностью погружена в электролит, если же погружение частичное, то на границе сред будет возникать разность потенциалов, и будет создан элемент дифференциальной аэрации. Аналогичное явление можно наблюдать вокруг посторонних включений в металл или на стыке двух пластинок, соединенных внахлест, где окисление происходит гораздо интенсивнее.

Металлоконструкции в процессе эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных компонентов внешней атмосферы, которое приводит к контактной коррозии разнородных материалов. Районы расположения зданий, на которых монтируются вентилируемые фасады, существенно отличаются по агрессивности воздействия среды на несущие конструкции системы. Коррозионная агрессивность определяется продолжительностью увлажнения поверхности металла и концентрацией коррозионно-активных агентов, основными из которых являются двуокись серы и хлориды. Кроме того, на элементах несущих конструкций происходит оседание пыли и конденсата водяных паров, содержащих агрессивные агенты, а через зазоры облицовки к ним проникают осадки в виде дождя или снега.

Требования к коррозионной стойкости материалов несущих конструкций могут меняться в широких пределах в зависимости от условий эксплуатации, планируемого срока службы и выбора наиболее экономичной комбинации свойств материалов, удовлетворяющих требованиям эксплуатации.

Выбор конструкционного материала с требуемой коррозионной стойкостью далеко не всегда может быть осуществлен только на основе теоретических разработок или справочных данных. Во многих случаях прибегают к коррозионным испытаниям, основой которых является моделирование предполагаемых условий эксплуатации строительных металлоконструкций.

Ускоренные коррозионные испытания металлических материалов являются частью проблемы прогнозирования надежности строительных конструкций, эксплуатируемых в различных климатических условиях, моделирование которых неизбежно связано с определенными упрощениями и допущениями, поскольку точное воссоздание реальной коррозионной ситуации практически невозможно. Для получения прогнозных оценок коррозионные испытания проводятся в условиях близких к реальным условиям эксплуатации металлоконструкций, с некоторым варьированием основных параметров, определяющих коррозионное поведение исследуемых материалов, таких как состав агрессивной среды, температура и др.

Для решения проблемы обеспечения ресурса и надежности металлоконструкций необходимо использование материалов и покрытий, обеспечивающих коррозионную защиту систем во всех климатических условиях эксплуатации.

В несущих конструкциях навесных фасадных систем применяются следующие материалы:

- коррозионностойкие стали;

- алюминиевые сплавы;

- углеродистые стали с дополнительными антикоррозионными покрытиями.

На основании исследований, проведенных на кафедре «Защиты металлов и технологии поверхности» установлено, что образующаяся внутри утеплителя НФС среда является сильно агрессивной. Следует отметить, что детали несущих конструкций, на которые действует постоянная нагрузка от веса облицовки, находятся внутри утеплителя в зоне конденсации с доступом воздуха, но без эффективной вентиляции. Это является отличительной особенностью именно навесных фасадных систем и в процессе эксплуатации может значительно ускорить коррозионные процессы в металлах, которые протекают вне зависимости от агрессивности наружной среды. При этом необходимо учесть, что навесные фасадные системы являются тонкостенными конструкциями и интенсивное коррозионное разрушение может достаточно быстро снизить несущую способность и, как следствие, эксплуатационную безопасность. Появление коррозии возможно только при наличии влаги на поверхности металла или в толще утеплителя; при отсутствии конденсации влаги на поверхностях деталей утеплитель защищает металлоконструкции от воздействия агрессивной атмосферы.

Результаты климатических испытаний, проведенные в камерах влажности, сернистого газа и солевого тумана по режимам, разработанным в НИТУ «МИСиС», имитирующих условия эксплуатации в промышленных и приморских средах, показывают, что конструкции, изготовленные из коррозионностойких и углеродистых с дополнительными цинковыми и полимерными покрытиями, обладают высокой коррозионной стойкостью во всех климатических зонах.

Для верификации авторской методики, состоящей в определении степени влияния материала утеплителя на атмосферостойкость металлоконструкций проведено исследование коррозионной стойкости и долговечности материалов и конструктивных элементов навесных фасадных систем в условиях, близких к эксплуатационным. В рамках работы проведены лабораторные коррозионные испытания: экспериментальное моделирование температуры «точки росы» с целью воспроизведения коррозионной активности утеплителей в реальных условиях эксплуатации в различных климатических зонах. Коррозионные испытания позволяют получать достаточно хорошо воспроизводимые сравнительные данные, с помощью которых определены степень влияния таких факторов как состав металла, температура, влажность, содержание агрессивных компонентов и т.д. на развитие коррозионного процесса. По результатам исследований дан анализ механизмов, характера и степени влияния состава связующего на коррозионную стойкость исследуемых материалов в условиях близких к эксплуатационным; проведена корреляция реальных коррозионных повреждений с результатами, полученными при ускоренных коррозионных испытаниях, и создана методика оценки долговечности несущих конструкций с учетом влияния утеплителя и веса облицовки.

В результате коррозионных испытаний установлено, что только нержавеющие стали устойчивы в контакте с утеплителем: после выдержки в коррозионно-агрессивных атмосферах на поверхностях деталей выявлено незначительное помутнение, коррозионных повреждений в материале деталей не зафиксировано.

Как известно, одним из способов борьбы с электрохимической коррозией является применение так называемых протекторных покрытий, в частности цинка. Принцип протекторной защиты основан на разности электрохимических потенциалов железа (-0,44 В) и цинка (-0,763 В). Коррозионная стойкость цинковых покрытий зависит от их толщины и от метода нанесения покрытий, что подтверждено ускоренными и длительными (17-25 лет) натурными испытаниями. В то же время установлена тесная зависимость между степенью загрязнения промышленной атмосферы (SO2, С1^-) и скоростью протекания коррозионного процесса. Одним из существенных недостатков цинковых покрытий является их многофазная структура, которая снижает коррозионную стойкость, особенно в атмосферах, загрязненных промышленными газами и хлоридами. Кроме того, многофазная структура снижает механические свойства оцинкованных конструкций и некоторые технологические параметры поверхности 1.

При повреждении покрытия и наличии электролита (капель воды, раствора соли, и т.д.) в этом месте образуется гальваническая пара, в которой корродирует цинк, при этом защищая стальную основу. Поэтому такое покрытие эффективно даже при наличии дефектов, а защита работает тем дольше, чем толще слой цинка. Однако, цинковое покрытие не защищает стальные детали от интенсивной коррозии при контакте с утеплителем. Через месяц ускоренных коррозионных испытаний во влажной атмосфере выявлено практически полное разрушение защитного слоя и признаки коррозии стальной основы.

Окрашенные стали после испытаний в толще утеплителя, сохранились практически полностью. Утеплитель не повлиял ни на их внешний вид, ни на их свойства, в частности адгезию.

Показано, что алюминиевые сплавы не обеспечивают коррозионную стойкость несущих конструкций во всех климатических условиях эксплуатации. Для изготовления несущих конструкций применяются сплавы 6060, 6063 и АД31, которые являются атмосферостойкими за счет способности алюминия к образованию на поверхности пассивной пленки. В ходе исследований было установлено, что наиболее высокие свойства по коррозионной стойкости достигаются при эксплуатации конструкций в атмосферах с повышенной влажностью и содержанием сернистого газа. Наиболее заметные коррозионные разрушения алюминиевых сплавов наблюдаются в приморских атмосферах из-за высокого содержания хлоридов, которые нарушают пассивное состояние поверхности металла, что приводит к образованию локальных точечных повреждений, что объясняется тем, что алюминиевые сплавы являются структурно чувствительными и чувствительны к содержанию в них легирующих элементов. Например, добавка магния увеличивает коррозионную стойкость алюминия, а медь и железо напротив снижают. При повышенных значениях меди и железа точечная коррозия может переходить в более опасную межкристаллитную коррозию (МКК), когда разрушение металла происходит преимущественно вдоль границ зерен 2.

При металлографическом исследовании в материале алюминиевых деталей, изготовленных из сплавов АД31, обнаружена интенсивная межкристаллитная коррозия в виде разветвленной сетки, развивающаяся по границам зерен. При долговременной эксплуатации этот вид коррозии может вызвать нарушение прочности конструкций в зонах винтовых соединений. Показано, что сплавы типа АД31 с содержанием железа менее 0,2% не склонны к межкристаллитной коррозии в хлоридсодержащих средах.

Однако, кроме вышеуказанных видов коррозии в контакте с утеплителем уже через месяц испытаний в материале деталей была выявлена довольно интенсивная расслаивающая коррозия, которая не наблюдалась при воздействии лабораторных атмосфер. Кроме того, как известно, по результатам многолетних испытаний сплавов типа АД31 как в натурных, так и лабораторных условиях также не наблюдалось ни одного случая расслаивающей коррозии или коррозионного растрескивания. Следовательно, развитие расслаивающей коррозии алюминиевых сплавов связано с воздействием связующего утеплителей и является наиболее опасным видом коррозионного разрушения, так как это единственный тип коррозии, который не тормозится со временем, что может привести к значительному изменению геометрии профилей 3. В связи с тем, что в фасадных системах используются тонкостенные детали, то к возможности таких коррозионных повреждений следует относиться очень внимательно.

Таким образом, установлено, что скорость общей коррозии алюминиевых сплавов мала, но в присутствии в атмосфере коррозионно-активных веществ (в частности хлоридов и связующего утеплителя) они склонны к локальным видам коррозии.

На основании результатов, полученных при проведении ускоренных испытаний, проводится анализ характера и степени влияния состава агрессивных атмосфер на механизм коррозионного разрушения исследуемых материалов с целью определения срока службы металлоконструкций в условиях близких к эксплуатационным. Показано, что методика, разработанная в НИТУ «МИСиС», позволяет делать долгосрочные прогнозы, так как результаты испытаний хорошо коррелирует с реальными данными эксплуатации. Подобраны режимы испытаний, где 30 суток выдержки в экспериментальных камерах соответствуют 15 годам реальной эксплуатации. На основании проведенных исследований предложены технические решения по антикоррозионной защите металлических элементов и разработаны методики оценки коррозионной стойкости и долговечности несущих конструкций фасадных систем в зависимости от условий эксплуатации, в частности, от климатических факторов.

Таким, образом:

1. Разработана методика диагностирования технического и коррозионного состояния металлических элементов навесных фасадных систем. Показано, что предложенная методика, позволяет получать значения долговечности, сопоставимые с результатами металлографических измерений.

2. Проанализированы причины появления коррозионных повреждений в материалах деталей несущих конструкций из коррозионностойких и углеродистых с дополнительными антикоррозионными покрытиями сталей и алюминиевых сплавов применительно для различных климатических применений.

3. Выполнено проведение коррозионных испытаний несущих конструкций в контакте с материалом утеплителя с целью оценки долговечности в эксплуатационных условиях.

4. Выявлена взаимосвязь между коррозионными потерями металлических элементов в атмосферных условиях и составом и уровнем загрязнения окружающей среды, которую можно использовать для оценки коррозионного поведения конструкций в зонах с промышленным и приморским климатом.

Литература

1. Улиг Г.Г., Реви Р.Г. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. М.: Химия. 1989. 456с.

2. Синявский В.С., Вальков В.Д., Будов Г.М. «Коррозия и защита алюминиевых сплавов», М.: Металлургия, 1979, 223 с.

3. Розенфельд И.Л. Коррозия и защита металлов. М.: Металлургия, 1969, 448 с.

Размещено на Allbest.ru