Учебное пособие 800322

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

И.И. Ушаков, В.Я. Мищенко

ДИАГНОСТИКА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Коррозионные повреждения стальных строительных конструкций

Учебное пособие

Рекомендовано в качестве учебного пособия редакционно-издательским советом

Воронежского государственного архитектурно-строительного университета для студентов строительных специальностей

Воронеж 2011

УДК 624.011 07 ББК 38.5я73

У932

Рецензенты:

кафедра сопротивления материалов Воронежской государственной лесотехнической академии;

Б.А. Бондарев, д. т. н., проф. кафедры «Строительные материалы Липецкого государственного технического университета

Ушаков, И.И.

Диагностика строительных конструкций. Коррозионные повреждения У932 стальных строительных конструкций: учеб. пособие для студ. строит.

спец. / И.И. Ушаков, В.Я. Мищенко; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. –

Воронеж, 2011.-69 с.

Рассмотрены основные проблемы проведения диагностики состояния стальных строительных конструкций зданий и сооружений. Представлена классификация коррозионных повреждений металлов в конструкциях от воздействия эксплуатационных сред. Даны современные представления об изменении прочностных и деформационных характеристиках металлов, а также закономерности их разрушения от действия нагрузок и коррозионных сред. Приведены некоторые характерные дефекты и повреждения отдельных элементов конструкций и основные способы защиты стальных конструкций от коррозии.

Предназначено для студентов строительных специальностей, а также для специалистов организаций занимающихся эксплуатацией зданий и сооружений.

Ил. 25. Табл. 9. Библиогр.: 39 назв.

УДК 624.011 07 ББК 38.5я73

ISBN 978-5-89040-360-5

© Ушаков И.И., 2011 © Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет, 2011

1

2

ВВЕДЕНИЕ

Диагностика – наука об установлении и изучении признаков, характеризующих состояние строительных конструкций зданий и сооружений, для определения возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального режима их эксплуатации.

Стальные строительные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются самым разнообразным коррозионным воздействиям, среди которых наиболее часто встречаются температурно-влажностные, химические и электрохимические. Несмотря на исключительно высокие конструкционные свойства сталей их коррозионная стойкость не высока, что требует проведения квалифицированных мероприятий по их защите при проектировании, возведении и эксплуатации.

Слово «коррозия» происходит от латинского слова «corrodere», что значит «разъедать».

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие физико-химического взаимодействия их с окружающей средой. Средой, в которой происходит коррозия металлов, обычно бывают различные жидкости и газы. Коррозия является самопроизвольным процессом разрушения металлов в отличие от не называемого коррозией преднамеренного разрушения металлов при их растворении в кислотах (с целью получения солей), в гальванических элементах (с целью получения постоянного электрического тока), при анодном растворении в электролизерах (с целью последующего катодного осаждения металла из раствора) и т.п. Причина коррозии металлов – физико-химическое взаимодействие с окружающей средой. Следует разграничивать коррозионные процессы от процессов эрозии (механического разрушения металла при шлифовке или при износе трущихся деталей).

Коррозионный процесс протекает на границе двух фаз: металл и окружающая среда, т.е. является гетерогенным процессом взаимодействия жидкой или газообразной среды (или их окислительных компонентов) с металлом.

Коррозия металлов наносит большой ущерб хозяйству. Потери от коррозии металлов складываются из прямых и косвенных. Прямые потери складываются из стоимости изготовления металлических конструкций, пришедших в негодность вследствие коррозии, из безвозвратных потерь металла в виде продуктов коррозии. К косвенным убыткам относятся расходы, связанные с отказом в работе металлических конструкций, стоимостью их ремонта, убыткам от простоя зданий и сооружений, порчей продукции пищевых и химических производств вследствие загрязнения ее продуктами коррозии, увеличением расхода металла, обусловленным завышенными допусками на коррозию, и пр.

Расходы на защиту конструкций в ходе их возведения составляют около 1 % стоимости самого сооружения. Разработаны многие методы и средст-

3

ва защиты, правильное и повсеместное применение которых значительно снизит потери от коррозии, намного повысят надёжность и долговечность сооружений. Однако на практике нередко прибегают к упрощенной защите, что влечёт за собой частую и дорогостоящую замену всей повреждённой конструкции.

Все это указывает на большую важность изучения коррозионных процессов и планомерной эффективной борьбы с коррозией.

Защита стальных конструкций и инженерного оборудования от коррозии и разрушения с целью повышения их надежности и долговечности являются важной составной частью технической эксплуатации и ответственной обязанностью работников эксплуатационных служб.

Глава 1. СУЩНОСТЬ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛАХ

1.1. Классификация коррозионных процессов

Характеристики и сущность коррозионных процессов. В зависимости от характера реакций, протекающих на поверхности металлов вследствие воздействия окружающей среды, коррозионные процессы могут иметь в своей основе химический или электрохимический механизмы. Принятое деление коррозионных процессов на химические и электрохимические, разумеется, является несколько условным и имеет смысл лишь в определенных границах. Строго отделить один вид от другого трудно, а иногда и невозможно. В реальных условиях коррозия, протекавшая в начале по одному механизму, может затем перейти к другому (например, электрохимическая коррозия железа в парах воды переходит в химическую, если процесс вести при высокой температуре). Однако разграничение коррозионных процессов по двум указанным механизмам протекания представляет формальные удобства при теоретическом и практическом рассмотрении вопросов коррозии.

В существующих классификациях коррозионных процессов за основу, как правило, принимают три основных признака: механизм протекания про-

цесса, характер коррозионного разрушения и вид коррозионной среды. Со-

ставленные в рамках выбранных признаков, эти классификации имеют очевидные ограничения: они не охватывают все разновидности коррозии (в них не включаются виды коррозии, связанные с температурными условиями протекания процессов, со структурными особенностями металлов).

Все процессы коррозии можно разделить на 7 классов:

1-класс-избирательная коррозия;

2-щелевая;

3-механохимическая;

4-электрохимическая;

5-химическая;

6-биологическая;

4

7-высокотемпературная.

Внутри каждого класса, в свою очередь, выделены наиболее характерные и часто встречающиеся виды коррозии: обесцинкование, графитизация, межкристаллитная коррозия, питтинговая коррозия, коррозионное растрескивание под напряжением, щелочное и хлоридное растрескивание, водородное охрупчивание, коррозионная усталость, коррозия-эрозия, фреттингкоррозия, контактная коррозия, коррозия блуждающими токами, микробиологическая коррозия, высокотемпературное окисление и т. д.

Представим все виды коррозии металлов в виде схемы на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Виды коррозии металлических конструкций

1.2. Механизмы коррозионных процессов. Химическая коррозия

Химическая коррозия. Классификация коррозионных сред при химиче-

ской коррозии. К химической коррозии относятся процессы, характеризующиеся непосредственным химическим взаимодействием между металлом и агрессивной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических (электродных) процессов на границе фаз, следствием чего является разрушение металла. Она основана на реакции между металлом и агрессивным реагентом. Этот вид коррозии протекает в основном равномерно по всей поверхности металла. В связи с этим химическая коррозия менее опасна, чем электрохимическая.

5

Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой. По степени воздействия на металлы коррозионные среды целесообразно разделить на: неагрессивные; слабоагрессивные; среднеагрессивные; сильноагрессивные.

Установлено, что коррозии железа способствует наличие в нём серы. Античные предметы, изготовленные из железа, устойчивы к коррозии именно благодаря низкому содержанию в этом железе серы. Сера в железе обычно содержится в виде сульфидов FeS и других соединенияй. В процессе коррозии сульфиды разлагаются с выделением сероводорода H2S, который является катализатором коррозии железа.

Механизм химической коррозии сводится к реактивной диффузии атомов или ионов металла сквозь постепенно утолщающуюся пленку продуктов коррозии (например, окалины) и встречной диффузии атомов или ионов кислорода. По современным воззрениям этот процесс имеет ионноэлектронный механизм, аналогичный процессам электропроводности в ионных кристаллах.

Особенно разнообразные процессы химической коррозии встречаются в различных производствах. В атмосфере водорода, метана и других углеводородов, оксида углерода (II), сероводорода, хлора, в среде кислот, а также в расплавах солей и других веществ протекают специфические реакции с вовлечением материала аппаратов и агрегатов, в которых осуществляется химический процесс. Задача специалистов при конструировании реактора подобрать металл или сплав, который был бы наиболее устойчив к компонентам химического процесса.

Практически наиболее важным видом химической коррозии является взаимодействие металла при высоких температурах с кислородом и другими активными газообразными средами (HS, SO , галогены, водяные пары, CO). Подобные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят также название газовой коррозии. Многие ответственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники, арматура печей). Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность. Стойкость против газовой коррозии повышается при введении в состав сплава различных добавок (хрома, алюминия, кремния). Добавки алюминия, бериллия и магния к меди повышают ее сопротивление газовой коррозии в окислительных средах. Для защиты железных и стальных изделий от газовой коррозии поверхность изделия покрывают алюминием (алитирование).

Примером химической коррозии служат ржавление железа и покрытие патиной бронзы. В промышленном производстве металлы нередко нагреваются до высоких температур. В таких условиях химическая коррозия ускоряется. Многие знают, что на прокатке раскаленных кусков металла образуется окалина. Это типичный продукт химической коррозии.

6

Химическая коррозия не сопровождается возникновением электрического тока. По химическому механизму действуют на металлы сухие газы (воздух, продукты горения топлива) и жидкие неэлектролиты (бензин, нефть, спирты, минеральные масла) при наличии в них коррозионно-активных составляющих. Коррозия металлов в газах (кислороде, хлоре, хлористом водороде, сероводороде) обычно наблюдается при высоких температурах.

В зависимости от характера взаимодействия металла и среды, свойств продуктов коррозии и иных факторов химическая коррозия может протекать по-разному. Например, скорость коррозии металла на воздухе с повышением температуры изменяется по параболическому закону. Условие защитного действия окисной пленки может быть выражено соотношением объёма окисла Vок к объёму металла Vм, израсходованного на образование пленки: если оно больше единицы, то это значит, что плёнка тормозит процесс коррозии, а если меньше,-то пленка рыхлая, со слабыми защитными свойствами, вследствие чего скорость коррозии возрастает. Значения для этого соотношения:

для Al к Al2O3-1,23; для Fe к Fe2O3 -2,14.

Химическая коррозия происходит в газах и парах при высокой температуре и проявляется в окислении. Химическая коррозия стали является следствием химической реакции, для протекания которой нужна влага, поэтому процесс коррозии развивается в зоне контакта плёнки влаги с поверхностью конструкций. Внутри помещений это связано с температурно-влажностным режимом, на открытом воздухе – с климатическими условиями района строительства. Влажностный режим внутри помещения делят на три группы по относительной влажности воздуха: до 60 %, от 61 до 75 % и свыше 75 %. Климатические условия определяют по зонам влажности (сухая, нормальная, влажная), которые приведены на карте в нормах (СНиП 11-3-79*).

Химическая реакция протекает более интенсивно, если в плёнке влаги содержатся способствующие коррозии вещества, которые попадают в неё из газов и аэрозолей окружающего воздуха или из отложений на поверхности конструкций солей и пыли.

Установлено четыре группы агрессивных газов. Коррозионная активность газов при равной влажности воздуха возрастает от группы А к группе Д

(табл.1.1).

7

Степень агрессивного воздействия солей и пыли зависит от их растворимости и от гигроскопичности. По этому признаку установлены три группы:

І - малорастворимые: силикаты, фосфаты и карбонаты магния, кальция, бария, свинца. Оксиды и гидроксиды железа, хрома, алюминия, кремния;

ІІ - хорошо растворимые малогигроскопичные: хлориды и сульфаты натрия, калия, аммония. Нитраты калия, бария, свинца, магния. Карбонаты щелочных металлов;

ІІІ – хорошо растворимые гигроскопичные хлориды: кальция, магния, алюминия, цинка, железа. Сульфаты магния, марганца, цинка, железа. Нитраты и нитриты натрия, калия, аммония. Все первичные фосфаты. Вторичный фосфат натрия. Оксиды и гидроксиды натрия, калия.

Таким образом, степень агрессивного воздействия среды на конструкции определяются видом и концентрацией газов, наличием солей и аэрозолей в воздухе, а также составом, растворимостью и гигроскопичностью твёрдых пылевидных частиц. Есть ещё одно обстоятельство, влияющее на развитие коррозионных процессов, это вид плёнки влаги.

Фазовая плёнка влаги вызывает более существенную коррозию, чем адсорбционная. Внутри отапливаемых помещений фазовая плёнка образуется на ограждающих конструкциях, если возможно (в соответствии санитарными нормами) образование конденсата. На открытом воздухе коррозия конструкций определяется продолжительностью воздействия фазовой плёнки влаги (дождь, мокрый снег, роса), которая изменяется в зависимости от зон влажности. Продолжительность воздействия фазовой плёнки влаги на конструкции, расположенные под навесами, также зависит от климатических условий (зоны влажности), хотя она меньше, чем на открытом воздухе (только туман, роса, иней). Внутри не отапливаемых помещений условия несколько лучше, чем под навесами, но не значительно, поэтому степень агрессивного воздей-

8

ствия среды на конструкции под навесами внутри не отапливаемых зданий принимают одинаковой.

Для учёта всех перечисленных факторов вводят обобщенное понятие агрессивности среды. По степени воздействия на строительные конструкции среды разделяют на неагрессивные, слабоагрессивные, среднеагрессивные и сильноагрессивные (табл. 1.2). Для каждой среды установлены способы защиты конструкций от коррозии.

Скорость химической коррозии. Скорость коррозии металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях определяется комплексным воздействием ряда факторов: наличием на поверхности фазовых и адсорбционных пленок влаги, загрязненностью воздуха коррозионно-агрессивными веществами, изменением температуры воздуха и металла, образованием продуктов коррозии и т.п.

Оценка и расчет скорости коррозии должны основываться на учете продолжительности и материальном коррозионном эффекте действия на металл наиболее агрессивных факторов. В зависимости от факторов, влияющих на скорость коррозии, целесообразно следующее подразделение условий эксплуатации металлов, подвергаемых атмосферной коррозии:

•закрытые помещения с внутренними источниками тепла и влаги (отапливаемые помещения);

•закрытые помещения без внутренних источников тепла и влаги (неотапливаемые помещения);

•открытая атмосфера.

Таблица 1.2

Степени агрессивного воздействия газообразных сред на стальные конструкции

9