CC BY
52
УДК 620.1
ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
Н.Л. Великанов1, С.И. Корягин2
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),
236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14
Изложены основные проблемы, возникающие при эксплуатации и ремонте металлических конструкций в городских условиях. Приводятся сведения о процессах коррозии, остаточных напряжениях в металлах. Даны рекомендации по предотвращению разрушения конструкций.
Ключевые слова: металлические конструкции, коррозия, сварка, остаточные напряжения.
PROBLEMS OF OPERATION AND REPAIR OF METAL DESIGNS IN CITY CONDITIONS
N.L. Velikanov, S.I. Koryagin
The Baltic federal university ofImmanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14 The basic problems arising at operation and repair of metal designs in city conditions are stated. Data on processes of corrosion, locked-up stresses in metals are resulted. Recommendations about prevention of destruction of designs are made.
Keywords: metal designs, corrosion, welding, locked-up stresses.
В процессе планирования объектов, сооружений в условиях города необходимо подобрать способы защиту конструкций с учетом условий эксплуатации и свойств материалов, изделий. Если данные требования не выполняются и отмечается низкое качество производства работ, то это может привести к преждевременному аварийному разрушению и потере работоспособности металлических конструкций
[1 - 5].
Особенно остро проявляются вышеназванные проблемы при эксплуатации городских инженерно-технических конструкций (рис. 1, 2). От 15 до 80 % металлических конструкций работают в условиях интенсивных воздействий (силовых, коррозионных). При отсутствии поэтапного контроля качества и долговечности изделий через несколько лет после начала эксплуатации ремонтные затраты могут превысить первоначальную сметную стоимость.
Стремление уменьшить массу металлической конструкции, типизировать монтаж, сделать архитектурно выразительной приводят к увеличению вероятности уязвимости конструкции для коррозии.
Необходимы мониторинг состояния конструкций, профилактические работы по их своевременному восстановлени, ремонту. Иначе она может преждевременно выйти из строя.
Появление новых материалов, технологий, конструкций выдвигает как актуальную задачу создания эмпирических и расчетных прогнозов надежности и функциональной пригодности. Наблюдается рост количества техногенных аварий на сооружениях, эксплуатируемых достаточно длительное время. Появление, перемещение, распределение дислокаций в кристаллах металлов и сплавов оказывает влияние на их прочность, фазовые и структурные превращения [4-5].
Процесс разрушения всегда связан с образованием микро или макротрещины. Наиболее часто местом зарождения трещин являются концентраторы напряжений. При обследовании 150 тысяч сварных соединений паропроводов ТЭС выявлено более 1000 повреждений, из них 95% в местах с повышенной концентрацией напряжений.
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии транспортных процессов и сервиса, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 33 82 84; e-mail: monolit8@yandex. ru;
2Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор института транспорта и технического сервиса, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 33 82 84; e-mail: SKoryagin@kantiana. ru.
влиянием на эти процессы различных конструкционных и технологических факторов.
Основные причины | повреждений конструкций
Коррозионные процессы
Противогололедны е реагенты
Выбрасы автотранспорта
Выбрасы промышленных предприятий
Отсутствие должных знаний в области коррозии и защиты от коррозии
Отсутствие прогноза долговечности
Отсутствие навыков работы с новыми материалами
Отсутствие навыков работы по новым технологиям
Рисунок 1 - Наиболее быстро повреждаемые металлические конструкции
Обычно напряжения делят на следующие виды: основные, дополнительные, местные и начальные. Основные напряжения уравновешивают внешние воздействия и по ним определяется несущая способность элементов конструкций. Дополнительные напряжения обуславливаются отличием реальной конструкции от ее идеализированной схеме факторов. Ими, чаще всего, пренебрегают. Местные напряжения возникают в местах резких изменений формы конструкции или внешних воздействий. Они могут способствовать пластическим деформациям, появлению трещин или потере устойчивости тонкостенных элементов. Начальные (или остаточные) напряжения изначально имеются в конструкции, связаны как с материалом, так и технологическими этапами изготовления. Начальные напряжения самоуравновешены [1,4,5].
Для обеспечения бесперебойной и надежной работы новых машин и оборудования, для которых зачастую отсутствуют прототипы, необходимо производить расчеты их прочностных показателей, в частности, связанных с предотвращением появления и развития трещин и
Рисунок 2 - Основные причины повреждений металлических конструкций
Особое значение эти вопросы приобретает при исследовании ответственных металлоконструкций, которые, как правило, выполняются с широким использованием сварки, литья, обработки металлов резанием, прокатки, штамповки, волочением. К ним относятся вагоны, котлы, металлические строительные конструкции, гидротехнические сооружения, корпуса судов, колонны атомных реакторов, резервуары, газо- и нефтепроводы, роторы газовых турбин, детали реактивных двигателей. Аварии на этих объектах связаны с угрозой для жизни людей и значительным материальным ущербом.
Широкое применение сварки, как наиболее прогрессивного метода неразъемного соединения и различных методов обработки и изготовления сооружений, машин, аппаратов, выдвигает как актуальную задачу определения остаточных напряжений и их влияние на прочность и работоспособность конструкций.
Для перераспределения остаточных напряжений применяется низкотемпературная термообработка сварных пластин перемещающимися источниками тепла, локальный отжиг, вибрационная обработка, обработки металлических конструкций многократными импуль-
Н.Л. Великанов, С.И. Корягин
сами давления, ультразвуковые методы, элек-трогидроимпульсная обработка [4,5].
Значительное место в определении остаточных напряжений принадлежит экспериментальным методам. Методы измерения остаточных напряжений подразделяются на разрушающие, неразрушающие, малоразрушающие, косвенные.
В косвенных методах применяется тен-зометрирование, контроль прогибов, оптически чувствительные покрытия, измерения с помощью оптических приборов по меткам сетки, хрупкие лаки, матовость покрытия, резание, стравливание, пропилы, рентгеновские методы (рентгеновская тензометрия). Сверление отверстий является малоразрушающим методом.
Рентгеновские методы характеризуются сравнительно большой погрешностью: 30 - 50 МПа для титановых сплавов и 7 - 8 МПа для алюминия, максимальный разброс отдельных результатов измерения для одного и того же уровня напряжений составляет величину около 25 %.
Повышение надежности рентгеновского метода может быть достигнуто путем тарировки при помощи комбинированного использования методами тензометрирования, Ф - интеграла; учета различных эффектов, основанных на свойствах материала. При этом может быть достигнута приемлемая точность рентгеновского способа анализа остаточных напряжений.
Косвенными методами являются электромагнитные, поляризационно-оптические, хрупкие покрытия, учет отражательной способности, твердости, электросопротивления.
Возможно использование акустоупру-гости: определение полей напряжений в плоских металлических образцах на основе данных об изменении скорости прохождения продольных ультразвуковых волн в направлении толщины образца. Возможно применение метода канавки в сочетании с голографической интерферометрией.
Значительную роль в обеспечении работоспособности сварных деталей и сооружений играет способность сварных соединений сопротивляться действию усталостных нагрузок (периодически действующих).
При определении остаточных напряжений используются численное моделирование, статические методы, гипотезы плоских сечений.
Широкое применение находят расчетно-экспериментальные методы: вариационный, с использованием общих решений теории упругости и экспериментальных данных неразру-шающих испытаний; метод конечных элемен-
тов с использованием саморегуляции, измерений методами нейтронной и рентгеновской дифракции, экспериментальных данных о распределении температур и фазовых превращений при сварке.
В ряде работ ставится краевая задача для несамоуравновешенных остаточных напряжений, рассматривается механизм формирования технологических остаточных напряжений. Эффективным аналитическим методом определения остаточных напряжений является применение методов математической теории упругости. В частности, приведения к задаче о вставке тел с натягом [1,4,5].
Одним из способов снижения напряжений в корпусных конструкциях около отверстий или других концентраторов является наложение рядом с ними сварных швов. Снижение концентрации напряжений происходит за счет взаимодействия полей напряжений от внешних нагрузок и усилий, вызванных остаточными деформациями сварных швов. Для этого взаимодействия необходимо определять поля остаточных напряжений сварного шва, напряжений, вызванных реакцией концентратора на остаточные напряжения около сварного шва, и сложить эти два поля с полем напряжений от внешних нагрузок, используя метод суперпозиции.
Наиболее простым и надежным способом обнаружения трещин на поверхности металлов является магнитная порошковая дефектоскопия. Поверхность металлической конструкции очищается от окалины и коррозии пескоструйным аппаратом. Затем металл в месте испытания намагничивается (например, соленоидом). После нанесения порошка из металлов, обладающих высокой магнитной проницаемостью, в зоне дефекта возникают два магнитных полюса, которые обозначают дефект удерживанием магнитного порошка строго по контуру дефекта. Дефект, расположенный на большой глубине, очерчен менее контрастно, но достаточно четко для определения его местоположения.
Для контроля напряжений в материале конструкций используется зависимость между его магнитной проницаемостью и изменением напряжения.
Металлические конструкции подвергаются значительной коррозии вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.
Скорость коррозии зависит от скорости того процесса, который в данных условиях протекает более медленно. Скорость процесса коррозии выражается в весовых потерях метал-
ла на единицу поверхности в единицу времени. Она зависит от величины тока коррозии, т.е. от разности потенциалов ионных и катодных участков и омического сопротивления внутренней цепи коррозийного элемента.
Наличие ряда веществ в среде, окружающей металл, влияет на скорость коррозии. Кислород с одной стороны, способствует образованию защитной окисной пленки, т.е. уменьшает коррозию, с другой - повышает скорость коррозии в начавших корродировать точках -коррозионных центрах. Ионы хлора действуют разрушающе на защитные окисные пленки. Соли щелочных и щелочноземельных металлов в нейтральных и щелочных средах тормозят коррозионный процесс, но они опасны в случае недостаточной концентрации.
Применение накладных листов для восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных и поврежденных конструкций давно привлекает внимание ученых и практиков. Данная технология имеет ряд преимуществ [2]. Они связаны с отсутствием операции вырезки поврежденного или изношенного участка, возможностью проводить ремонтные работы без вывода сооружения из работы. Особенно хорошо зарекомендовали себя накладные листы в районе прохождения труб (рис. 3). В этих случаях накладной лист 2 может быть обварен как по внешнему контуру, так и по контуру примыкания к трубопроводу 3 (рис. 3).
Более сложно обстоит дело в том случае, когда накладной лист обваривается только по контуру. Чем больше размеры накладного листа, тем больше вероятность его отрыва. Это связано, прежде всего, с различными перемещениями участков основного настила и участков накладного листа при действии на корпусную конструкцию эксплуатационной нагрузки [2].
Повышение долговечности, надежности металлических и железобетонных конструкций является одной из основных задач машиностроения, строительной индустрии. Оценка продукции обязательно должна производиться с учетом параметров качества и долговечности и ее соответствия стандартам; решение о необходимости проведения экспертизы проектных решений конструкций, в первую очередь в агрессивных средах эксплуатации, а также при использовании нетрадиционных материалов в производстве конструкций должно приниматься совместно со специалистами, отвечающими за данную проблему. Немаловажную роль в увеличении долговечности конструкций играют
культура производства и эксплуатации, повышение качества изделий при их изготовлении.
Рисунок 3 - Применение накладных листов в районе пересечения настила и трубопровода: 1 -
настил, 2 - накладной лист, 3 - трубопровод
Необходимо направить усилия научных работников, проектировщиков, технологов на разработку системы нормативного срока службы конструкций с учетом перспективного развития территорий и техники. Выбор материалов и конструкций, назначение средств защиты зависят от проектного срока эксплуатации.
Все это вместе взятое позволит уменьшить затраты на эксплуатацию и ремонт, а необоснованные затраты на коррозионные потери направить на развитие отраслевой науки и ее оснащение современным оборудованием.
Литература
1. Великанов Н.Л., Корягин С.И. Проблемы эксплуатации и ремонта металлических и железобетонных конструкций. - Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2015. - 189 с.
2. Великанов Н.Л., Корягин С.И. Расчет параметров накладных листов металлоконструкций. -Вестник машиностроения, №12, 2012. - с. 13-15.
3. Великанов Н.Л., Корягин С.И. Напряженно-деформированное состояние двухслойных труб и колонн.-Вестник машиностроения, №1, 2013. - с. 80 - 82.
4. Великанов Н.Л., Корягин С.И. Восстановление прочности изношенных и поврежденных конструкций корпуса судна: методические указания. -Калининград: Изд-во БФУ им. И Канта. 2013.-25 с.
5. Великанов Н.Л., Корягин С.И. Остаточные сварочные напряжения в ремонтных циклах судовых корпусных конструкций.-Транспорт и сервис: сборник научных трудов. - Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2013. Вып. 1: Состояние и перспективы развития транспортного комплекса региона. - с. 67-75.
