CC BY
115
-------------------------------------------- © А.Ю. Прокопов, И.В. Купенко, В.В.
Коваленко, 2010
УДК 622.258.3
А.Ю. Прокопов, И.В. Купенко, В.В. Коваленко
О ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ В УСЛОВИЯХ АГРЕССИВНЫХ ШАХТНЫХ ВОД
Предложен алгоритм оценки скорости коррозионных процессов в элементах армировки и выбора антикоррозийного покрытия, позволяющий наиболее полно учесть условия эксплуатации армировки, адекватно оценить и повысить срок ее службы Ключевые слова: армировка вертикальных стволов, коррозионный износ, ширина расстрела.
Неделя горняка
А рмировка вертикальных стволов эксплуатируется, как правило, в агрессив-УТ. ных условиях, испытывая значительные физико-химические воздействия, способствующие развитию коррозионных процессов в расстрелах и проводниках.
Вследствие увеличения с течением времени коррозионного износа, размеры и моменты сопротивления поперечных сечений элементов армировки уменьшаются (рис. 1 а, б). Напряжения в проводниках и расстрелах при этом растут и со временем могут превысить предел прочности материала, что вызовет разрушение конструкции.
Таким образом, максимальное напряжение, а, в каждом из элементов армировки должно в идеале весь период ее эксплуатации, Т, находиться в пределах:
а = Мтах/Г < [аи],
где Мтах - максимальный изгибающий момент, действующий на элементы армировки, Н м; Ж - момент сопротивления поперечного сечения элемента, испытывающего действие максимального изгибающего момента, м3; [аи] - допустимое напряжение на изгиб для металла армировки, Па.
Таким образом, на протяжении всего срока службы армировки, Т, значение момента сопротивления в каждом из ее элементов должно удовлетворять условию:
Ж > [Ж] = Мтах / [аи],
где [Ж] - минимально допустимое значение момента сопротивления поперечного сечения элемента, испытующего действие максимального изгибающего момента, м3.
Для определения Ж в заданный момент времени необходимо вначале определить максимально возможную в заданных условиях общую скорость коррозии, Кобщ, выраженную в г/дм2мес. Это можно сделать, используя результаты исследований [13].
Для удобства произведем пересчет потери массы металла в толщину слоя разрушенного коррозией металла (проницаемость) за год. Расчет может быть произведен по формуле [4]:
а
б
Рис. 1. Схема к определению допустимого момента сопротивления элементов армировки: а
- коробчатого профиля, б - двутавра
П =12-102 •Кобщ Iр, (1)
где П - толщина слоя разрушенного коррозией металла (проницаемость), мм/год; р
- плотность металла армировки, г/дм3. Для сталир ~ 7800 г/дм3.
В результате коррозии расстрела происходит уменьшение его площади поперечного сечения и, как следствие, уменьшение моментов сопротивления и увеличение напряжений.
При использовании коробчатого расстрела наихудшим будет случай, когда максимальный коррозионный износ будет происходить по ширине расстрела, испытующего действие максимального изгибающего момента My от эксплуатационной нагрузки со стороны движущегося подъемного сосуда, при этом будет уменьшаться момент сопротивления Wy. Уменьшение момента сопротивления Wx менее опасно, так как действующий изгибающий момент Mx, вызванный собственным весом арми-ровки и второстепенными вертикальными нагрузками, будет значительно (на порядок и более) меньше основного момента My. Вследствие этого в дальнейшем будем рассматривать уменьшение момента сопротивления сечения относительно оси у.
Для коробчатого профиля с проектными характеристиками (до начала эксплуатации) момент сопротивления сечения Wy (рис. 1 а) определится из выражения
(2)
Жу = + ТТ (Як - К), (8)
где 1у - проектный момент инерции сечения относительно оси у, мм ; Тн, Ън, tн - соответственно ширина, высота коробчатого сечения и толщина полки до начал эксплуатации, мм.
Аналогично запишем выражение для двутаврового сечения (рис. 1, б):
Жу=2У=+6 (ян - Ан). (3)
В течение эксплуатации линейные размеры сечений вследствие коррозионного
износа уменьшаются, при этом уменьшаются и моменты сопротивления сечений,
соответственно до величин:
- для коробчатого профиля:
Ж = ТкЪк - (Тк - 2к)3(^к - 2к) (4)
у 6 6 Тк ’ к ’
где Тк , Ък, tк - соответственно ширина, высота поперечного сечения профиля и толщина полочки, мм, через Т лет, определяемые из выражений;
Т = Тн - 2ТП; (5)
К = Ън - 2ТП; (6)
tк = tн - ТП, (7)
где П - расчетная скорость коррозии, мм/год, определяемая из (1);
- для двутаврового профиля:
кк + т2
6 Т 6
где ак, Ък, Тк , Нк - соответственно толщина и высота стойки, ширина и высота сечения двутавра через время Т, лет, определяемые из выражений
а = ан - 2ТП; (9)
Т = Тн - 2ТП; (10)
К = Ън + 2ТП; (11)
Як = Ян - 2ТП. (12)
Используя формулы (2) - (12), исследуем зависимость Жу = ДТ) для агрессивных условий эксплуатации армировки. Расчет произведем для наиболее распространенных коробчатых и двутавровых профилей.
Графики зависимости момента сопротивления сечения от времени для коробчатых профилей приведены на рис. 2, для двутавров - на рис. 3.
Как следует из графиков (рис. 2 и 3), момент сопротивления коробчатых и двутавровых профилей элементов армировки уменьшается со временем прямо пропорционально скорости коррозии, при чем скорость уменьшения момента сопротивления тем выше, чем больше первоначальные размеры сечения, а следовательно площадь контакта балки с агрессивной средой.
При рассмотренных неблагоприятных условиях внешней среды скорость коррозии достигает 0,5 мм/год и выше, таким образом, полное разрушение балки от коррозии наступает для закрытых (коробчатых) профилей через 20-25 лет, а для открытых (двутавровых) - через 17 - 22 года. Снижение же момента сопротивления до минимально допустимого значения, в зависимости от дейст-
Рис. 2. Графики зависимости момента сопротивления Wy коробчатых расстрелов, эксплуатируемых в агрессивной среде, от времени для профилей:
1 -170*104*10; 2 - 212*130*12;
3 -160*160*12; 4 -185*185*12
вующих на расстрелы максимальных изгибающих моментов и степени агрессивности среды, может наступить уже через 5 - 7 лет и менее.
С целью повышения долговечности эксплуатации при проектировании для элементов армировки необходимо
предусматривать нанесение защитных антикоррозийных покрытий.
В соответствии с «Инструкцией по противокоррозионной защите армировки стволов, металлоконструкций шахтной поверхности и другого горнотехнического оборудования» [5], шахтными агрессивными средами следует считать рудничную и промышленную атмосферу повышенной влажности с различным содержанием коррозионно-активных газов и пыли, а также шахтные воды с водородным показателем рН = 1...10. Защитные покрытия следует наносить при скорости коррозии П > 0,1 мм/год.
В соответствии с [5], для защиты армировок стволов от коррозии допускаются
следующие покрытия:
- композиционные на основе эпоксидных смол: эпок-сидно-хлоркаучуковое (КЧЭП-10), эпоксидно-перхлорвиниловое (ХВЭП-20), эпоксидно-каменноугольное (БТЭП-20), эпок-сидно-этинолевое (ВНЭП-50), эпоксидно-фурановое (ФАЭД-8-Т-40) покрытия;
Рис. 3. Графики зависимости момента сопротивления Wy двутавровых расстрелов, эксплуатируемых в агрессивной среде, от времени для профилей:
1 - 24М; 2 - 30М; 3 - 36М; 4 - 45М
- метализационно-лакокрасочные (цинковые, цинково-алюминиевые, алюминиевые с последующей окраской);
- лакокрасочные по протекторной грунтовке.
Для защиты армировок стволов шахт со сроком службы до 25 лет и металлокре-пи горных выработок рекомендуются полимерные тонкослойные покрытия толщиной 130.. .150 мкм, для защиты армировки стволов шахт со сроком службы 25...30 лет - лакокрасочные покрытия по протекторным грунтовкам толщиной 200.250 мкм, более 30 лет - металлизационно-лакокрасочные покрытия толщиной 400.500 мкм [5, 6]. Отметим, что согласно [5, 6], выбор покрытия зависит только от рН среды и величины водопритока, планируемого срока службы конструкции при этом его параметры (число слоев, общая толщина и др.) постоянны.
Таким образом, в соответствии с [5, 6], выбор покрытий и их параметров не зависит от скорости движения воздушной струи, минерализации шахтных вод, напряжений от нагрузок в элементах армировок и крепей. Однако, как было доказано в [1-3], перечисленные выше факторы имеют весьма значительное влияние на скорость коррозии.
Во многом по причине такого неучета защитные покрытия разрушаются раньше теоретического срока их службы даже при условии соблюдения всех требований «Инструкции.» [5]. Например, согласно [6], теоретическая долговечность металлизацион-но-лакокрасочных покрытий - 35 лет, а по данным испытаний [7] - только 10.12 лет. Авторы [7] в результате исследований состояния антикоррозионных покрытий армировки шахтных стволов Кривбасса и лабораторных испытаний, приходят к выводу, что реальный срок службы покрытий на основе битумных и каменноугольных смол составляет 3.6 мес., а масляных красок и эмалей - 6.12 мес., при теоретическом сроке службы в несколько лет.
Таким образом, существует необходимость совершенствования существующей методики выбора антикоррозионных покрытий элементов армировок стволов.
Исходя из проведенных исследований, предлагается следующий алгоритм выбора антикоррозионных покрытий.
1. Задаются условия эксплуатации армировки:
- минерализация шахтных вод в стволе С, %;
- скорость воздушной струи в стволе V, м/с;
- глубина ствола, м;
- геометрические параметры профилей армировки;
- масса m, кг, и скорость движения Vc, м/с, подъемного сосуда;
- конструктивные и инерционные характеристики подъемного сосуда;
- проектный срок службы армировки Т, лет.
2. Рассчитываются эксплуатационные нагрузки на армировку в соответствии с алгоритмом [8].
3. При необходимости рассчитываются температурные нагрузки на армировку
[9].
4. При необходимости рассчитываются нагрузки на армировку со стороны породного массива [10].
5. Определяются максимальные изгибающие моменты и эквивалентные растягивающие и сжимающие напряжения в элементах армировки, возникающие вследствие комплексного действия всех перечисленных нагрузок.
6. Рассчитывается базовая скорость коррозии К0, г/(дм2 мес.), исходя из скорости воздушной струи V, м/с, и минерализации шахтных вод С, % [1 - 3].
7. Рассчитывается прогнозируемая скорость коррозии Кобщ с учетом возникающих максимальных напряжений [1].
8. Производится пересчет скорости коррозии в величину проницаемости П, мм/год, по формуле (1).
9. Рассчитывается минимально допустимый момент сопротивления сечения расстрелов [Жу], см3, исходя из максимально действующего изгибающего момента.
10. Рассчитывается прогнозируемый момент сопротивления сечения Жт, остающийся в результате коррозии через проектный срок службы Т. Для расчета коробчатых сечений могут использоваться формулы (4) - (7), двутавровых - формулs (8) -(12).
11. Определяется скорость уменьшения момента сопротивления АЖ, см/год, по формуле
АЖ = (Жу - Жт) / Т,
где Жу - начальный (до воздействия агрессивной среды) момент сопротивления
3
коррозии, см .
12. Определяется расчетное время, за которое момент сопротивления снизится до минимально допустимого значения:
Трасч = (Жу - [Жу]) / АЖ.
Если Трасч > Т и П > 0,1 мм/год, то применяется стандартная защита от коррозии в соответствии с рекомендациями [5].
Если Трасч < Т, то необходимо уменьшение скорости коррозии П до значения
[П] = ПТ / Трасч.
Это уменьшение, может быть достигнуто путем регулирования удельного поперечного сопротивления защитного покрытия, ркр, Ом • м2 в соответствии с результатами исследований [11].
Таким образом, предложенный алгоритм оценки скорости коррозионных процессов в элементах армировки и выбора антикоррозийного покрытия позволит наиболее полно учесть условия эксплуатации армировки, адекватно оценить и повысить срок ее службы.
-------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Купенко И.В., Каргаполов С.В. Лабинский К.Н. Исследование особенностей процесса коррозии элементов армировки стволов, находящихся под нагрузкой// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. - Донецк: Норд-пресс, вып. №13, 2007. - С. 110 - 111.
2. Купенко И.В., Левит В.В., Каргаполов С.В. Определение максимальной скорости коррозии элементов армировки стволов// Совершенствование технологии строительства шахт и под-
земных сооружений: Сб. науч. тр. - Донецк: Норд-пресс, вып. №13, 2QQ7. - С. 12Q - 122.
3. Коваленко В.В., Купенко И.В., Прокопов А.Ю. Исследование влияния различных факторов на скорость коррозии элементов жесткой армировки вертикальных шахтных стволов// Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика: Тези доповідей Міжнар. науково-
практичної конференції. Дніпропетровськ: Вид-во Дніпропетр. нац. ун-ту за-лізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна, 2QQ7. - С. ЮЗ - 1Q7.
Среднегодо-
вая
4. Розенфельд И.Л., Рубинштейн Ф.И., Жигалова К.А. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями. - М.: Химия, 1987. -224 с.
5. Инструкция по противокоррозионной защите армировки стволов металлоконструкций шахтной поверхности и другого горнотехнического оборудования. - Харьков: ВНИИ-ОМШС, 1973.
6. Полимерные и метализационно-лакокрасочные покрытия для защиты от коррозии / Карпенко К.П., Мучник П.И., Поливанова М.Е., Черкасов В.В., Плишевой А.Н. // Шахтное строительство. - 1975. - №2. - С.17-19.
7. Меделян Л.Д., Сулима Я.М., Анистрат
А.С. Устойчивость антикоррозионных
покрытий конструкций армировки шахтных стволов Кривбасса // Шахтное строительство. -1980. - №3. - С.29-30.
8. Методика расчета жестких армировок
вертикальных стволов шахт.- ВНИИГМ им. М.М. Федорова.- Донецк, 1985.- 170 с.
9. Прокопов А.Ю., Солодухин С.А., Левит
В.В. Расчет анкерных узлов крепления расстрелов с учетом температурной нагрузки на конструкции// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. - Донецк: Норд-пресс, вып. №13, 2007. - С. 41 - 44.
10. Саакян Р.О., Яовиков А.Я. Исследование влияния нагрузок со стороны породного массива на жесткую армировку вертикальных стволов // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. трудов. - Донецк: Норд-Пресс, 2005.- С. 32-33.
11. Купенко И.В., Каргаполов С.В., Лабинский К.Я. Определение параметров антикоррозионного покрытия элементов армировки ствола// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. - Донецк: Норд-пресс, вып. №13, 2007. - С. 125 -126. ВТШ
г Коротко об авторах
Прокопов А.Ю. - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета по образовательной деятельности, доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», г. Шахты, Россия, [email protected]
Купенко И.В. - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» Донецкого Национального технического университета, г. Донецк, Украина, [email protected]
Коваленко В.В. - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство и геомеханика» Национального горного университета, г. Днепропетровск, Украина, kovalen-^[email protected]
