CC BY
39
УДК 620.193:624.21:625.1
ПРОЛЕТНЫМ СТРОЕНИЯМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ ИЗ АТМОСФЕРОСТОЙКОЙ СТАЛИ 20 ЛЕТ
^^^^ А.Д. Конюхов, докт. техн. наук, А.К. Шуртаков (ОАО ВНИИЖТ, e-mail:[email protected])
Проведен анализ зарубежных данных. Изготовлены и исследованы на коррозию в атмосферных условиях листы из 32 марок низколегированных сталей. Из стали 14ХГНДЦ изготовлены листы и три опытных пролетных строения. После 20 лет испытаний сформировалась защитная пленка продуктов коррозии. Процесс коррозии практически прекратился. Уменьшение толщины проката составило менее 0,1 мм.
Ключевые слова: коррозионная стойкость, атмосферная коррозия, уравнение регрессии, низколегированная сталь, защитная оксидная пленка, сварные соединения.
Atmosphere-Resisting Steel Frameworks of Railway Bridges are 20 Years Old.
A.D. Konyukhov, A.K. Shurtakov.
Foreign data were analysed. Sheets in 32 grades of low-alloy steels were produced and their corrosion resistance under atmosphere conditions was investigated. 14KhGNDTs steel was used for production of such sheets and three pilot frameworks of a bridge. After 20 year testing a protective corrosion product film was formed. Corrosion process was practically stopped. A reduction in the rolled product thickness was below 0.1 mm.
Key words: corrosion resistance, atmosphere corrosion, regression equation, low-alloy steel, protective oxide film, welded joints.
С 60-х годов прошлого века в зарубежном мостостроении наблюдается тенденция к увеличению использования в конструкциях пролетных строений атмосферостойких сталей без дополнительной защиты от коррозии лакокрасочными покрытиями.
В настоящее время в эксплуатации находятся тысячи пролетных строений из атмос-феростойкой стали без окраски. Географическое расположение этих пролетных строений включает многие страны Европы и Америки, Австралию, Новую Зеландию, Японию.
Самым большим мостом, изготовленным из атмосферостойкой стали без окраски, является арочный мост New River Gorge Bridge в Западной Верджинии, США (рис. 1, а). Длина моста 924 м, длина арки 518 м, высота над рекой 267 м. Мост был открыт для движения транспорта в 1977 г. Строительство моста обошлось в 37 млн. дол., срок строительства три года.
Использование неокрашенной низколегированной стали, образующей защитный слой ржавчины, позволило сэкономить 300000 дол. на первоначальной стоимости и пример-
но 1 млн. дол. за каждую окраску, которая была бы необходима для поддержания моста из обычной конструкционной стали [1].
В Жироне (Испания) рядом с туристическим объектом расположены железнодорожный мост с ездой поверху (рис. 1, в), и пешеходный арочный мост (рис. 1, г). Мосты изготовлены из атмосферостойкой стали без применения окраски. Внешний вид мостов гармонирует с окружающей местностью.
Разработаны нормативные документы, регламентирующие химический состав и механические свойства атмосферостойких сталей (ЛБТМ А 242 - Сталь конструкционная низколегированная высокопрочная, ЛБТМ А 588 - Сталь конструкционная низколегированная высокопрочная с минимальным пределом текучести 345 МПа, толщиной до 100 мм, ЛБТМ А 709 - Сталь конструкционная углеродистая и низколегированная высокопрочная и сталь конструкционная легированная, закаленная и отпущенная для мостостроения), в том числе для сварных и болтовых конструкций мостов. Стойкость к атмосферной коррозии этих сталей в большинстве
Рис. 1. Автодорожные мосты New River Gorge (a), Ford City (б) в США, железнодорожный (в) и пешеходный (г) мосты в Испании (Жирона) из атмосферостойкой стали, изготовленные и эксплуатируемые без окраски
атмосферно-климатических сред значительно выше, чем углеродистой стали с медью или без меди.
Стандарт ДБТМ А 242 рекомендует следующий состав атмосферостойкой стали типа 10ХНДП: <0,15 % С, <1,00 % Мп, <0,15 % Р <0,05 % Б, <0,20 % Си. Высокое содержание фосфора не позволяет применять прокат из стали 10ХНДП в сварных конструкциях с толщиной элементов более 6 мм.
Стандарты ДБТМ Д 588 и ДБТМ Д709 регламентируют химический состав и механические свойства стального проката с низким содержанием фосфора, что позволяет сваривать листы толщиной до 100 мм и более. Химический состав атмосферостойкой стали типа С: <0,15 % С, 0,50-1,20 % Мп, 0,150,40 % а, 0,25-0,50 % М, 0,30-0,50 % Сг, 0,20-0,50 % Си, 0,01-0,10 % V, <0,04 % (Р+Б).
Индекс стойкости к атмосферной коррозии рекомендуется определять по ДБТМ в 101 -
Оценка стойкости к атмосферной коррозии низколегированных сталей. Для атмосферос-тойких сталей он должен быть равен 6,0 или более.
Для расчета индекса коррозионной стойкости ДБТМ в 101 предлагает следующее уравнение:
/=26,01(% Си)+3,88(% М)+1,20(% Сг)+ + 1,49(% Б1)+17,28(% Р)-7,29(% Си)(% N0--9,10(% N1) (% Р)-33,39(% Си)2.
Уравнение можно использовать только для сталей, химический состав которых находится в области составов сталей, использованных в работах Ларраби-Кобурна [2] для вывода этого уравнения: <0,51 % Си, <1,1 % N1, <1,3 % Сг, <0,64 % Я <0,12 % Р
Имеются рекомендации международных и национальных организаций по конструированию, расчету, изготовлению и эксплуатации конструкций из атмосферостойкой стали без окраски. Например, европейские нормы
БЫ 10155, Рекомендации DASt (Германской комиссии по стальным конструкциям) № 007 от 05.93 г. - Поставка, обработка и применение атмосферостойких конструкционных сталей.
В 80-х годах прошлого века Департамент пути и сооружений МПС принял решение организовать эксплуатационную проверку возможности применения атмосферостойких сталей в конструкциях пролетных строений железнодорожных мостов без окраски. Цель проверки - снизить затраты жизненного цикла металлических пролетных строений железнодорожных мостов.
Поскольку климатические условия на территории России весьма разнообразны, отличаются от условий эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов в странах Европы и Америки, первым этапом исследования было обобщение результатов испытания низколегированных сталей различного химического состава на стойкость к атмосферной коррозии, полученных во ВНИИ железнодорожного транспорта в 60-70-х годах. Кроме того, были проведены дополнительные коррозионные испытания низколегированных сталей, химический состав которых был задан матрицей планирования экспериментов. В ЦНИИчермет им. И.П. Бардина были выплавлены и прокатаны листы толщиной 5 мм из стали 32 марок заданного химического состава. Верхний и нижний уровень содержания 15 легирующих элементов и примесей заданы в соответствии с крайними значениями их содержания в реальных низколегированных сталях, %: 0,08-0,2 С; 0,4-1,8 Мп; 0,2-1,0 Si; 0,03-0,15 Р; 0,020,05 S; 0,10-0,50 Си; 0-1,0 Сг; 0-0,2 Мо; 00,15 V; 0-0,2 ЫЬ; 0-0,12 Лв; 0-0,2 Л1; 0,0150,035 Ы; 0-0,2 Тк Из каждой плавки (листа) изготавливали по 24 образца размером 30x70x5 мм (по три образца на один съем, четыре съема, две атмосферно-климатичес-кие станции). Испытания проводили согласно ГОСТ 17332-71 в городской и промышленной атмосфере. Перед испытаниями образцы очищали, обезжиривали и взвешивали с точностью до 0,1 мг. После каждого съема образцы очищали от продуктов коррозии, взвешивали и определяли потерю массы на единицу поверхности (г/м2). Длительность
атмосферно-коррозионных испытаний в городской атмосфере составила 154, 454, 1061 и 1858 сут, в промышленной атмосфере -240, 507, 1082 и 1471 сут. Результаты испытаний [3] использовали для расчета коэффициентов А и В в кинетическом уравнении, связывающем потерю массы А m (г/м2) с длительностью испытаний t, (сут): А m=Atв.
По эмпирическим значениям А и В для каждой плавки и условий испытания определяли уравнения регрессии, связывающие эти показатели коррозионной стойкости с химическим составом и условиями атмосферной коррозии. Получены следующие уравнения регрессии.
Для условий городской атмосферы:
Аг=179,1-12,6С-9,35Си-г 11,61^+12ЫЬ+14Лв;
Вг =0,537+0,06Мп+0,020Сг+0,021ЫЬ,
Для условий промышленной атмосферы: Ап=274,4-12,1C-6,5Mn+9,85S-7,2Cu-
п 9,181^-9,18Мо+8,25МЬ+9,25Лв,
Вп=0,826-0,033С-0,032Мп-0,027Сг-0,0261^-0,027Мо.
В первый год экспозиции (коэффициент А) снижает в городской атмосфере потери от коррозии повышенное содержание в стали меди, никеля, углерода, в промышленной атмосфере - указанные элементы, а также марганец и молибден. Отрицательно влияют на коррозионную стойкость сера, ниобий и мышьяк.
Величина коэффициента В характеризует способность стали формировать защитную оксидную пленку: снижение коэффициента В положительно влияет на формирование защитных свойств пленки продуктов коррозии и наоборот.
По результатам длительных коррозионных испытаний в атмосферных условиях с учетом требований к уровню прочностных свойств, ударной вязкости, пластичности и свариваемости был разработан химический состав стали 14ХГНДЦ. В частности, углеродный эквивалент стали 14ХГНДЦ должен быть не более 0,45 %, что соответствует требованиям к сталям для мостостроения.
Совместно с ЦНИИЧермет и МК «Азов-сталь» были разработаны технические условия на толстолистовой прокат для мостостроения из атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ (ТУ 14-1-4519-88). Химический состав стали при заданном уровне механических свойств и свариваемости дает возможность снизить установившуюся скорость атмосферной коррозии до величины менее 6 мкм/год и длительное время (порядка 100 лет) эксплуатировать конструкции без защитных лакокрасочных покрытий. Защитная оксидно-гидро-ксидная пленка формируется в процессе атмосферной коррозии в течение 5-7 лет, и дальнейшая коррозия практически прекращается.
В 1989 г. по заказу Департамента пути и сооружений МПС на заводе «Азовсталь» были выплавлены три плавки стали 14ХГНДЦ, прокатаны на лист толщиной от 12 до 20 мм, из которого на заводе «Воронежстальмост» изготовлены три опытных пролетных строения решетчатого типа с ездой понизу по типовому проекту (1293К). Длина пролетных строений 55 м.
В течение 1989-1990 гг. пролетные строения смонтированы и установлены в действующие участки пути на трех железных дорогах России: Юго-Восточной (через реку Ворона, 579 км перегона Кирсанов - Ртищево, рис. 2, а); Восточно-Сибирской (через реку Снежная, 5383 км перегона Мурино-Выдрино, рис. 2, б); и Южно-Уральской (через реку Камышлы-Аят, 175 км перегона Карталы-Айдырля, рис. 2, в). Снимки сделаны в 2010 г. при обследовании технического состояния пролетных строений после 20 лет эксплуатации без окраски.
Обследование технического состояния опытных пролетных строений, проведенное в 2010 г., показало, что все три пролетных строения находятся в удовлетворительном состоянии и эксплуатируются в обычном режиме без окраски.
На поверхности неокрашенных элементов образовался тонкий слой продуктов коррозии толщиной не более 0,3 мм (с двух сторон). Отслаивающиеся продукты коррозии отсутствуют, элементы решетчатых пролетных строений (стойки и раскосы) и проезжей части имеют темно-коричневый цвет.
Рис. 2. Общий вид пролетных строений из атмосферостойкой стали через 20 лет эксплуатации без окраски: через реку Ворона, ЮВЖД (а), через реку Снежная, ВСЖД (б), через реку Камышлы-Аят, ЮУЖД (в)
Учитывая 20-летний положительный опыт эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов из атмосферостойкой стали без окраски, по поручению Департамента пути и сооружений ОАО РЖД институт разработал проект технических требований к металлическим пролетным строениям железно-
дорожных мостов из атмосферостойкой стали и проект руководства по эксплуатации мостов из атмосферостойкой стали.
При согласовании этих нормативных документов некоторые организации высказали замечания, которые необходимо прокомментировать:
- «отсутствует вид антикоррозионной защиты болтов, гаек, шайб». Действительно на опытных пролетных строениях фасонки, головки болтов, гайки и шайбы были окрашены при монтаже в темно-коричневый цвет. Однако в дальнейшем окрашивать эти элементы нет необходимости, если детали крепежа изготавливать из атмосферостойкой стали, например по ASTM A490, type 3. В стандарте ASTM сталь типа 3 повышенной стойкости к атмосферной коррозии для изготовления высокопрочных болтов, наряду с традиционными элементами, содержит легирующие элементы, способствующие формированию защитной пленки продуктов коррозии: 0,300,53 C, до 0,40 Mn, до 0,60 Cu, до 0,45 Cu, до 0,20 Ni, до 0,15 % Mo. К сожалению, в отечественных стандартах на высокопрочные болты ГОСТ 22356-77 и ГОСТ 526432006 отсутствует аналог атмосферостойкой стали типа 3 по ASTM A 490. Необходимо разработать и согласовать с заводом-изготовителем ТУ на болты из атмосферостойкой стали;
- «следует определить зоны применения, связанные с влиянием неблагополучной экологии от заводских и городских выбросов, архитектурных особенностей строительства в городах, поскольку цвет металла может быть только двух цветов: рыжий и темно-рыжий в мокром виде» и «основной недостаток пролетных строений из атмосферостойкой стали -неэстетичный внешний вид... Применять пролетные строения из атмосферостойкой стали следует в малолюдных местах». Атмосферос-тойкие стали формируют защитную пленку продуктов коррозии в большинстве атмос-ферно-климатических условий, за исключением приморской атмосферы, в которой оседает более 0,5 мг хлоридов на 100 см2 поверхности конструкций в сутки. Такая концентрация хлоридов наблюдается на расстоянии менее 250 м от берега моря. Исходя из
мировой практики, других ограничений применения атмосферостойких сталей без окраски нет. Что касается эстетического вида пролетных строений, то этот критерий оценки весьма переменчив и зависит от привычного восприятия металлоконструкций. Об этом свидетельствует многолетняя эксплуатация наружного каркаса небоскреба в г. Чикаго (США), изготовленного из атмосферостойкой стали без окраски, пролетных строений мостов, в том числе железнодорожных, в ряде европейских городов, например в г. Жирона (Испания), (см. рис. 1, в);
- «вызывает беспокойство сварка...». Заводская технология сварки толстолистового проката из атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ разработана на ОАО «Воронежстальмост» в 80-х годах прошлого века. В то же время были проведены испытания сварных соединений, которые показали, что прочностные свойства сварных соединений стали 14ХГНДЦ не ниже, чем традиционных сталей 10ХСНД и 15ХСНД по ГОСТ 6713-91. Углеродный эквивалент стали 14ХГНДЦ, как и традиционных марок стали - не более 0,45. Что касается монтажной сварки металлоконструкций из стали 14ХГНДЦ, то до проведения соответствующих испытаний действует запрет на монтажную сварку металлоконструкций из атмосферостойкой стали.
Целесообразность применения атмосфе-ростойких сталей для изготовления металлических пролетных строений железнодорожных мостов не вызывает возражений причастных организаций, научных и эксплуатационных.
Использование атмосферостойкой стали без покрытия позволяет сократить первоначальные расходы на 5-10 %, а затраты жизненного цикла на 30 %. Первоначальная экономия реализуется, поскольку атмосфе-ростойкая сталь не должна окрашиваться. Экономия расходов жизненного цикла реализуется в результате снижения затрат на текущее содержание металлоконструкций. Инспекционные проверки мостов, проведенные в нашей стране и за рубежом после 1830 лет эксплуатации показали, что атмосфе-ростойкая сталь хорошо работает в большинстве сред.
Атмосферостойкая сталь обеспечивает экологические выгоды. Она не требует первоначального покрытия, тем самым сокращает выбросы летучих органических соединений в атмосферу, не требует удаления разрушенного покрытия и возобновления покрытия на протяжении жизни конструкции, обеспечивая дополнительную значительную пользу окружающей среде.
Выводы
1. С использованием факторного анализа и длительных атмосферных коррозионных испытаний разработана атмосферостойкая сталь 14ХГНДЦ. Толстолистовой прокат из этой стали в 80-е годы выдержал комплекс прочностных испытаний основного металла и
сварных соединений. Из этой атмосферостойкой стали изготовлены три опытных пролетных строения, которые в начале 90-х годов без окраски установлены в эксплуатацию на трех железных дорогах России.
2. Обследование технического состояния пролетных строений после 20 лет эксплуатации показало, что на поверхности металлоконструкций сформировалась защитная пленка продуктов коррозии. Отслаивающиеся продукты коррозии отсутствуют. Процесс коррозии практически прекратился, уменьшение толщины проката в результате коррозии за 20 лет составило менее 0,1 мм.
3. Целесообразно ежегодно устанавливать в эксплуатацию не менее 5 тыс. т металлоконструкций из атмосферостойкой стали без окраски.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Painting-free Bridge Sub-committee, Technical Committee of Japan Association of Steel Bridge Construction: Construct Records of Unpainted Weathering Steel Structures in Bridges in Japan, 6th ed., 2001.
2. Larrabee C.P., Coburn S.K. The Atmospheric
Corrosion of Steels as Influenced by Changes in Chemical Composition//First International Congress on Metallic Corrosion, Butterworths, London, 1962. P. 276-285. 3. Конюхов А.Д. Коррозия и надежность железнодорожной техники. - М: Транспорт, 1995. C. 174.
