Металлы. 1. коррозия металла. Основные методы борьбы с коррозией в различных видах конструкций

• Название: 1. коррозия металла. Основные методы борьбы с коррозией в различных видах конструкций
• Анкор: Металлы.doc
• Дата: 22.02.2018
• Размер: 3.21 Mb.
• Имя файла: Металлы.doc
• Тип: Документы; #15795
• страница: 1 из 9

1. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛА. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ БОРЬБЫ С КОРРОЗИЕЙ В РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ КОНСТРУКЦИЙ

Главным фактором, определяющим интенсивность коррозион­ного износа (разрушения), является относительная влажность. Наи­большая скорость коррозии реализуется при периодическом выпа­дении конденсата, однако скорость резко возрастает при достиже­нии так называемой критической влажности, обычно принимаемой для стали 70...75%.

Установлено четыре степени агрессивности воздействия среды: I - неагрессивная (примерная скорость коррозии незащищенной стальной поверхности до 0,01 мм/год); II - слабоагрессивная (0,01...0,05 мм/год); III – средне-агрессивная (0,05...0,1 мм/год); IV -сильноагрессивная (более 0,1 мм/год). Нормы проектирования по защите строительных конструкций от коррозии влажностный ре­жим помещений (или влажность воздуха для открытых конструкций) подразделяют на сухой, нормальный, влажный и мокрый. Нормами также установлены группы А, В, С и D в зависимости от вида и концентрации загрязненности воздуха агрессивными реагентами, солями, аэрозолями и пылью.

Коррозией металла называют разрушение его поверхности вслед­ствие химического, электрохимического и биохимического воздейст­вий окружающей среды. По условиям протекания, которые весьма разнообразны, различают следующие виды коррозии: почвенная, структурная, электрокоррозия, контактная, щелевая, под напряже­нием, при трении, коррозионная кавитация, биокоррозия.

Строительные стальные конструкции подвержены главным обра­зом электрохимической, атмосферной коррозии, которая определя­ется электрохимическими процессами на поверхности стали в при­сутствии влаги.

Коррозионное разрушение может иметь сплош­ной (общий) характер или сосредоточиваться на отдельных участках (местная коррозия).

По коррозионной стой­кости строительные стали можно разделить на три группы: 1) мар­ганцовистые стали и сталь 14ГСМФР; 2) все стали, кроме входящих в первую и третью группы; 3) медистые и атмосферостойкие стали.

По виду материалов защитные покрытия металлических конструкций делят на лакокрасочные, металлические, оксидные, изоляционные и их комбинации. По механизму защитного действия они могут быть барьер­ными, обеспечивающими только изоляцию, протекторными, защищаю­щими металл электрохимически и с комбинированным барьернопротекторным действием. Лакокрасочные покрытия в зависимости от вида пиг­мента могут обеспечивать все формы защиты. Цинковое покрытие обес­печивает как протекторную, так и барьерную защиту; алюминие­вые — обычно только барьерную, а в присутствии хлористых солей или хлора — также и протекторную.

Защиту конструкций из алюминиевых сплавов выполняют с помо­щью естественно или искусственно создаваемого на их поверхности (хи­мическим или электрохимическим способом) оксидного слоя, который обеспечивает барьерную защиту.

Изоляционные покрытия выполняют из тканевых материалов, пропи­танных битумно-резиновыми мастиками, или из полимерных пленок, приклеиваемых к металлической поверхности.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО ПРОЧНОСТИ. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАР-КИ СТАЛЕЙ. МАРКИ СТАЛЕЙ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧ-Х КОНСТР-ЦИЙ

Для строительных металлических конструкций используется в основном прокатная сталь и алюминиевые сплавы.

Основные недостатки стали — относительно низкая коррозионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от коррозии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.

К достоинствам алюминиевых сплавов относятся малая плотность (почти в 3 раза меньше, чем у стали) при относительно высокой прочности, повы­шенная стойкость против коррозии и сохранение высоких упругопластических свойств при низких температурах. Однако низкий модуль упругости приводит к повышенной деформативности алюминиевых конструкций и ухудшает их устойчивость, а падение прочностных свойств алюминиевых сплавов при температуре 300°С снижает огнестойкость.

Чугун хорошо работает на сжатие и обладает высокой коррозионной стойкостью, однако малая прочность при растяжении, хрупкость материала и плохая свариваемость привели к тому, что в настоящее время чугун практически не применяется для строительных конструкций. Чугунные кон­струкции можно встретить в зданиях и сооружениях, построенных в прошлом веке. В настоящее время из чугуна делаются тюбинги метро. Применяется он иногда в литых деталях опор тяжелых конструкций.

Стали обычной прочности (σ_у <29 кН/см2). К этой группе относятся низкоуглеродистые стали различной степени раскисления, постав­ляемые в горячекатаном состоянии (С235—С285).

Обладая относительно небольшой прочностью, эти стали очень пластичны: протяженность площадки текучести составляет 2,5% и больше. Хорошая свариваемость обеспечивается низким содержанием углерода (не более 0,22%) и кремния. Стали имеют среднюю коррозионную стойкость, поэтому конструкции, вы­полненные из сталей обычной прочности, следует защищать с помощью лакокрасочных и других покрытий. Недостаткам низкоуглеродистых сталей является склонность к хрупкому разрушению при низких температурах (осо­бенно для кипящей стали С235), поэтому их применение в конструкциях, эксплуатирующихся при отрицательной температуре, ограниченно.

Стали повышенной прочности (29 кН/см < σ_у < 40 кН/см ). Стали повышенной прочности (С345—С390) получают либо введением при выплавке стали легирующих добавок, в основном марганца и кремния, реже никеля и хрома, либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С345Т).

Пластичность стали при этом несколько снижается, и протяженность пло­щадки текучести уменьшается до 1—1,5%.

Стали высокой прочности (σ_у > 40 кН/см ). Прокат стали вы­сокой прочности (С440—С590) получают, как правило, путем легирования и термической обработки.

Для легирования используются нитридообразующие элементы, способст­вующие образованию мелкозернистой структуры.

Стали высокой прочности могут не иметь площадки текучести и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже.

Подбор химического состава и режима термообработки позволяет значительно повысить сопротивление хрупкому разрушению и обеспечить высокую ударную вязкость при температуре до —70°С. Определенные труд­ности возникают при изготовлении конструкций. Высокая прочность и низкая пластичность требуют более мощного оборудования для резки, правки, свер­ления и других операций.

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

В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавкой фосфора (например, сталь С345К). На поверхности таких сталей образуется тонкая оксидная пленка, обладающая доста­точной прочностью и защищающая металл от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшается. Кроме того, в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладностойкостъю, поэтому применение стали С345К рекомендуется при толщинах не более 10 мм.

Механические характеристики сталей.

Прочность характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения.

Упругость — свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.

Пластичность — свойство материала сохранять деформированное состо­яние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без раз­рушения.

Хрупкость — способность разрушаться при малых деформациях.

Ползучесть — свойство материала непрерывно деформироваться во вре­мени без увеличения нагрузки.

Твердость — свойство поверхностного слоя металла сопротивляться уп­ругой и пластичной деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.

Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопротивление σ_u и предел текучести σ_y Временное сопротивление σ_u — это наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отне­сенная к первоначальной площади поперечного сечения).

Предел текучести σ_y — напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести — металл "течет". Для металлов, не имеющих площадки текучести, определяется ус­ловный предел текучести σ₀₂, т.е. такое напряжение, при котором оста­точное относительное удлинение достигает 0,2%.

Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е =tgα , где α — угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости σ_е , т.е. таким максимальным напря­жением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.

Основной способ соединения элементов металлических конструкций — сварка, поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к металлам строительных конструкций, является свариваемость. Оценка свариваемости производится по химическому составу (углеродному эквиваленту), а также путем применения специальных технологических проб.

Долговечность металлических конструкций определяется в первую оче­редь коррозионной стойкостью металла. Сопротивляемость металла кор­розионным повреждениям зависит от химического состава и проверяется путем длительной выдержки образцов в агрессивной среде. Мерой кор­розионной стойкости служит скорость коррозии по толщине металла в мм/год.

С течением времени свойства стали несколько меняются: увеличиваются предел текучести и временное сопротивление, снижается пластичность, сталь становится более хрупкой. Это явление называется старением стали.

Нормирование сталей. Основным стандартом, регламентирующим характеристики сталей для строительных металлических конструкций, явля­ется ГОСТ 27772—88. Согласно ГОСТу фасонный прокат изготавляют из сталей: С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, для листового и универсального проката и гнутых профилей используются также стали С390, С390К, С440, С590, С590К. Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повышенным содержанием меди (для повышения кор­розионной стойкости), при этом к обозначению стали добавляется буква "Д". Буква «С» в наименовании стали обозначает сталь строительную, цифра показывает значение предела текучести в МПа, буква химический состав.

По ГОСТ 19281—73 и ГОСТ 19282—73 в обозначении марки стали указывается содержание основных элементов. Например, химический состав стали 09Г2С расшифровывается так: 09 — содержание углерода в сотых долях процента, Г2 — марганец в количестве от 1 до 2%, С — кремний

ДО 1%.

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА МК ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ; ГРУППЫ

ПРЕД-Х СОСТ-Й

Расчет обычно состоит из следующих этапов: установление расчетной схемы, сбор нагрузок, определение усилий в элементах конструкций, подбор сечений и проверка допустимости напряженно-деформированного состояния конструкции в целом, ее элементов и соединений.

В зависимости от способа учета изменчивости указанных параметров развивалась методика расчета металлических конструкций. В настоящее время оптимальной считается методика предельных состо­яний, отличающаяся как простотой использования, так и научной обосно­ванностью.

Пре­дельным называется состояние конструкции, при котором она перестает удов­летворять эксплуатационным требованиям. В соответствии с характером предъявляемых к конструкции требований различают первое и второе предельные состояния. Первая группа включает в себя потерю несущей способности и (или) полную непригодность конструкции к эксплуатации вследствие потери ус­тойчивости, разрушения материала, превращения конструкции в гео­метрически изменяемую систему элементов (механизм), качественное изме­нение конфигурации, чрезмерное развитие пластических деформаций.

Вторая группа предельных состояний характеризуется затруднением нор­мальной эксплуатации сооружений или снижением долговечности вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок опор, углов пово­рота, колебаний, трещин и т.п.).

Первое предельное состояние. Расчетные формулы для подбора сечений и проверки несущей способности конструкций по первому предельному состоянию получаются из основного неравенства

N≤S,

N – предельное наибольшее усилие в конструкции, вызываемое внешними воздействиями;

S – предельная наименьшая несущая способность конструкции, зависящая от прочности материала, размеров поперечного сечения и условий ее работы.

В течение всего срока эксплуатации конструкции внешние воздействия могут изменяться в широких пределах. В соответствии с этим в нормах проектирования различают расчетные (наибольшие) величины воздействий F и нормативные Fн (нор­мального режима эксплуатации). Эти величины связаны между собой с помощью коэффициента надежности по нагрузке γ_f, т.е. F = Fн γ_f.

Нормативные нагрузки определяются по СНиП "Нагрузки и воздействия".

Нормативные нагрузки от технологического оборудования, транспортных средств, различных механизмов определяются по их паспортным данным. Атмосферные же нагрузки от ветра и снега обусловлены сложными природ­ными явлениями. Для подобных нагрузок в нормах устанавливаются услов­ные величины.

Расчетная нагрузка определяется путем статистической обработки резуль­татов длительных натурных наблюдений за изменчивостью реальной нагрузки. По данным наблюдений строятся полигоны распределения нагрузок. По которой, при помощи математических расчетов и определяются расчётная нагрузка.

В методике предельных состояний это учитывается коэффициентом со­четаний ψ < 1, на который следует умножать каждую из суммируемых нагрузок. Согласно СНиП значения коэффициентов сочетаний колеблются от 1 до 0,6 и менее для особых случаев.

С этой целью в методику предельных состояний введен коэффициент надежности по ответственности γ_п. Для первого из указанных классов сооружений по согласованию с заказчиком f n задается в пределах от 0,95 до 1,2, для третьего — в пределах 0,8—0,95, для прочих сооружений (класс II) - 0,95.

По аналогии с предыдущим вводятся понятия нормативного сопротивления материала Rn и расчетного сопротивления R, связанные между собой с помощью коэффициента надежности по материалу соотно­шением R = Rn/ γ _m

Для обеспечения надежности конструкций по первому предельному состоянию (несущей способности) ус­танавливается расчетное сопротивление с увеличенной обеспеченностью (примерно 0,999), определяемое на основании статистической обработки мно­гочисленных опытных данных различных производителей металлопродукции в течение длительного времени.

Для их учета в методике предельных состояний вводится коэффициент условия работы γ_с, на который, как правило, умножается расчетное сопротивление стали. Значения этого коэффициента изменяются приблизительно от 0,7 до 1,2. Величина γc < 1 учитывает неблагоприятные, a γ с > 1 — благоприятные условия работы конструкции. Обычно ко­эффициенты условий работы устанавливаются для отдельных конструктивных элементов, узлов их сопряжений, средств соединений (болты, сварные швы и т.д.). Итак, окончательно неравенство первого предельного состояния (1) мо­жет быть записано в следующем виде:



А – геометрическая хар-ка поперечного сечения.

Второе предельное состояние ограничивает максимальные переме­щения конструкций в условиях нор­мальной эксплуатации, т.е. переме­щения определяются от нормативных нагрузок. Неравенство второго предельного состояния имеет вид:



δ_i – число влияния, т.е. перемещение конструкции от единичного воздействия;

Δ – предельная величина перемещения, определяющая возможность нормальной эксплуатации.

4. ХАРАКТИРИСТИКА СОЕДИНЕНИЙ МК

Развитие металлургических процессов получения железа и про­ката из него требовало новых способов соединения отдельных стержней в конструкцию. Так появились заклепки, которые стави­лись в горячем виде в предварительно образованные в деталях отвер­стия. Этот вид соединения позволил создавать новые конструктив­ные формы - клепаные балки, фермы, котлы, резервуары.



При помощи заклепок и болтов создавались соединения с дис­кретными (т.е. прерывистыми) связями, что затрудняло автоматиза­цию выполнения таких соединений.

Применение сварки упростило конструктивную форму традици­онных строительных конструкций, так как отпала необходимость использовать вспомогательные соединительные детали, без которых нельзя выполнить заклепочные и болтовые соединения (рис. 4.2, г). С другой стороны, сварка позволила механизировать и автоматизи­ровать процесс создания соединения. В настоящее время сварка является основным технологическим процессом, используемым для соединений строительных стальных конструкций.

Применение сварки наряду с очевидными технологическими преимуществами влечет за собой и некоторые негативные особенности, которые необходимо учитывать при проектировании сварных соединений. К таким особенностям относятся повышенная концен­трация напряжений, обусловленная наличием в швах дефектов (подрезы, непровары, поры, шлаковые включения); механическая неоднородность сварных швов; остаточные сварочные напряжения; возможные отклонения конструктивных элементов от проектной формы', вызванные сварочными деформациями. Перечисленные факторы (особенно при их неблагоприятном сочетании) могут суще­ственно влиять на работоспособность сварных конструкций в усло­виях статического и циклического нагружения, являясь причинами разрушений хрупкого и усталостного характера.

Болтовые соединения конструкций появились раньше сварных. Простота единения и надежность в работе способствовали их широкому распространению в строительстве при монтаже металлических конструкций.

Однако болтовые соединения более металлоемки, чем сварные, так как имеют стыковые накладки, а отверстия для болтов ослабляют сечения элементов. Последнее частично компенсируется допущением упругопластической боты элементов и введением соответствующего коэффициента условий ра-ты, а для элементов стыка на высокопрочных болтах — уменьшением фактического ослабления за счет передачи части действующего усилия тре­нием между соединяемыми элементами за пределами ослабленного сечения.