Добро пожаловать на официальное интернет-представительство Некоммерческого Партнерства "Союз производителей бетона"
Союз создан в 2003 году с целью координирования, регулирования и управления разрозненными отраслями, нормальное функционирование которых необходимо для общего развития рынка бетона. Мы заинтересованы в формировании и укреплении здоровой экономической политики на строительном рынке.






ПРИГЛАШАЕМ ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ


МЫ СОТРУДНИЧАЕМ



НАШИ ПАРТНЕРЫ







АВТОРИЗАЦИЯ
Логин:
Пароль:
Регистрация
Забыли свой пароль?


 

БЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН - СТАТЬИ

Прислать свою статью


25.11.2011

Мосты из атмосферостойкой стали

Комментариев: 0 | Количество просмотров: 5005

Авторы: Д-р техн. наук А.Д. Конюхов, инж. А.К. Шуртаков (ОАО «ВНИИЖТ»),кандидаты технических наук В.П. Харчевников (ОАО «ЦНИИЧЕРМЕТ»), А.И. Шелест (ОАО «ЦНИИС»), инж. Т.Н. Воробьева

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 атмосферостойкой 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. Длина моста 924 м, длина арка 518 м, высота над рекой 267 м. Строительство моста обошлось в 37 млн. долларов и продолжалось три года. Он был открыт для движения транспорта в 1977 г.

Использование неокрашенной низколегированной стали, образующей защитный слой ржавчины, который сочетается эстетически с окружающей природой, позволило сэкономить 300 000 долларов на первоначальной стоимости и примерно 1 млн. долларов за каждую окраску, которая была бы необходима для поддержания моста из обычной конструкционной стали /1/.


В г. Жирона (Испания) рядом с туристическим объектом расположены, железнодорожный мост с ездой поверху (рис. 1а) и пешеходный арочный мост (рис 1б).

а

б

Рис.1. Железнодорожный (а) и пешеходный (б) мосты в г. Жирона (Испания) из атмосферостойкой стали, изготовленные и эксплуатируемые без окраски.

Они изготовлены из атмосферостойкой стали без применения окраски. Внешний вид мостов гармонирует с окружающей местностью.

За рубежом действуют нормативные документы, регламентирующие химический состав и механические свойства атмосферостойких сталей (ASTM А 242 – Сталь конструкционная низколегированная высокопрочная, ASTM А 588 – Сталь конструкционная низколегированная высокопрочная с минимальным пределом текучести 345 МПа, толщиной до 100 мм, ASTM 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 атмосферно-климатических сред значительно выше, чем углеродистой стали с медью или без меди.

Стандарт ASTM А 242 рекомендует следующий состав атмосферостойкой стали типа 10ХНДП: углерод < 0,15%, марганец < 1,00%, фосфор < 0,15%, сера < 0,05%, медь < 0,20%. Высокое содержание фосфора не позволяет применять прокат из стали 10ХНДП в сварных конструкциях с толщиной элементов более 6 мм.

Стандарты ASTM A 588 и ASTM A709 регламентирует 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 C: углерод < 0,15% марганец – 0,50-1,20%, кремний - 0,15-0,40%, никель - 0,25-0,50%, хром – 0,30-0,50%, медь – 0,20-0,50%, ванадий - 0,01-0,10%, фосфор и сера менее 0,04%.

Индекс стойкости к атмосферной коррозии рекомендуется определять по ASTM G 101 – Оценка стойкости к атмосферной коррозии низколегированных сталей.

Для расчета индекса коррозионной стойкости ASTM G 101 предлагает рассчитывать по уравнению:

I = 26,01 (%Cu) +3,88(%Ni)+ 1,20(%Cr)+1,49(%Si) +17,28(%P) – 7,29(%Cu)(%Ni) – 9,10(%Ni)(%P) – 33,39(%Cu)2.

Для атмосферостойких сталей индекс коррозионной стойкости должен быть равен 6,0 или более.

Уравнение можно использовать для сталей, химический состав которых содержит концентрации элементов, характерных для низколегированных сталей, использованных в работах Ларраби - Кобурна /2/.

По конструированию, расчету, изготовлению и эксплуатации конструкций из атмосферостойкой стали без окраски имеются рекомендации международных и национальных организаций, например, европейские нормы EN 10155, за основу которых взяты Рекомендации DASt (Германской комиссии по стальным конструкциям) № 007 от мая 1993 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 атмосферостойкой стали в конструкциях пролетных строений железнодорожных мостов без окраски. Цель проверки – снизить затраты жизненного цикла металлических пролетных строений железнодорожных мостов за счет исключения окраски, которая согласно действующим нормативным документам должна производиться через 6-8 лет при нормативном сроке службы 100 лет. Стоимость окраски 1т металлоконструкций порядка 7000 руб.

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 проф. С.Г. Веденкиным во ВНИИЖТ в 60-70-х годах прошлого века. Кроме того, были проведены дополнительные коррозионные испытания низколегированных сталей, химический состав которых задан матрицей планирования экспериментов для 15 факторов (химических элементов). В начале 80-х годов по рекомендации ВНИИЖТ в ЦНИИчермет им. И.П. Бардина были выплавлены и прокатаны на листы толщиной 5 мм 32 плавки стали заданного химического состава. Матрицей планирования заданы верхний и нижний уровень содержания 15 легирующих элементов и примесей, %: углерод 0,08-0,2; марганец 0,4-1,8; кремний 0,2-1,0; фосфор 0,03-0,15; сера 0,02-0,05; медь 0,10-0,50; хром 0-1,0; молибден 0-0,2; ванадий 0-0,15; ниобий 0-0,2; мышьяк 0-0,12; алюминий 0-0,2; азот 0,015-0,035; титан 0-0,2. Из каждой плавки (листа) изготавливали по 24 образца размером 30х70х5 мм (по 3 образца на один съем, 4 съема). Испытания проведены ВНИИЖТ по 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 154, 454, 1061 и 1858 суток, в промышленной атмосфере 240, 507, 1082 и 1471 суток. Результаты испытаний /3/ использовали для расчета коэффициентов А и В в кинетическом уравнении, связывающем потерю массы (Δ m), г/м2 с длительностью испытаний (t), сутки:

Δ m = А t В

По эмпирическим значениям А и В для каждой плавки и условий испытания определяли уравнения регрессии, связывающие показатели коррозионной стойкости с химическим составом и условиями атмосферной коррозии. Получены следующие уравнения регрессии:

- для условий городской атмосферы

Аг = 179,1 –12,6С – 9,35Cu – 11,6Ni + 12Nb +14As;

Bг = 0,537 + 0,06Mn + 0,020Cr + 0,021Nb,

- для условий промышленной атмосферы

Ап = 274,4 – 12,1C – 6,5Mn +9,85S – 7,2Cu – 9,18Ni – 9,18Mo + 8,25 Nb + 9,25As,

Вп = 0,826 – 0,033C – 0,032Mn – 0,027Cr – 0,026Ni – 0,027Mo.

В городской атмосфере потери от коррозии в первый год экспозиции (коэффициент А) снижаются при повышенном содержании в стали меди, никеля, углерода, в промышленной атмосфере при увеличении содержания меди, никеля, углерода, марганца и молибдена. Отрицательно влияют на коррозионную стойкость сера, ниобий и мышьяк.

Величина коэффициента В характеризует способность стали формировать защитную оксидную пленку. Снижение коэффициента В отражает формирование высоких 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 марки 14ХГНДЦ, таблица 1.

ВНИИЖТом совместно с ЦНИИчерметом и МК «Азовсталь» были разработаны технические условия на толстолистовой прокат для мостостроения из атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ (ТУ 14-1-4519-88). Химический состав этой марки стали при заданном уровне механических свойств и свариваемости дает возможность снизить установившуюся скорость атмосферной коррозии до величин менее 6 мкм/год и длительное время (порядка 100 лет) эксплуатировать конструкции без защитного лакокрасочного покрытия.

Защитная оксидно - гидроксидная пленка формируется в процессе атмосферной коррозии в течение 5-7 лет, в дальнейшем коррозия практически прекращается.

Поскольку кремний не оказывает существенного влияния на коррозионную стойкость в атмосферных условиях, для улучшения свариваемости стали 14ХГНДЦ содержание в ней кремния снижено по сравнению со сталями 10ХСНД и 15ХСНД, За счет этого несколько увеличено содержание марганца. Соотношение содержания марганца к содержанию кремния в сталях 15ХСНД, 10ХСНД и 14ХГНДЦ (по среднему уровню) соответствует следующим значениям 1:0,7:3,0. Это свидетельствует о принципиальном различии в содержании легирующих элементов, влияющих на коррозионную стойкость в атмосферных условиях, в стали 14ХГНДЦ и традиционных сталях для мостостроения. Углеродный эквивалент стали 14ХГНДЦ - не более 0,45%, что соответствует требованиям к свариваемости сталей для мостостроения 15ХСНД и 10ХСНД.

В 1989 году по заказу Департамента пути и сооружений МПС (руководители отдела искусственных сооружений ЦП МПС А.В. Бушин и В.В. Банюня при активной поддержке проф. К.П. Большакова из ЦНИИС) на заводе «Азовсталь» были выплавлены 3 плавки стали марки 14ХГНДЦ, прокатаны на толстый лист толщиной от 12 до 20 мм. Из этого листа на заводе «Воронежстальмост» изготовлены 3 опытных пролетных строения решетчатого типа с ездой понизу по типовому проекту (1293К). Длина пролетных строений 55 м.

В течение 1989 – 1990 годов 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. 2а, Восточно-Сибирской (через реку Снежная, 5383 км перегона Мурино-Выдрино), рис. 2б, и Южно – Уральской (через реку Камышлы - Аят, 175 км перегона Карталы - Айдырля), рис. 2в. Снимки сделаны в 2010 году при обследовании технического состояния пролетных строений после 20 лет эксплуатации без окраски.

а

б

в

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).

Обследование технического состояния опытных пролетных строений после 20 лет эксплуатации без окраски показало, что все три пролетных строения находятся в удовлетворительном состоянии и эксплуатируются в обычном режиме.

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.

Учитывая 20-летний положительный опыт эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов из атмосферостойкой стали без окраски, по поручению Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД» ВНИИЖТ разработал проект Технических требований к металлическим пролетным строениям железнодорожных 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:

1. «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 будут изготовлены из атмосферостойкой стали, например типа 3 по ASTM A490. В стандарте ASTM cталь типа 3 повышенной стойкости к атмосферной коррозии для изготовления высокопрочных болтов, наряду с традиционными элементами, содержит легирующие элементы, способствующие формированию защитной пленки продуктов коррозии: углерод 0,30-0,53, марганец до 0,40, медь до 0,60, хром до 0,45, никель до 0,20, молибден до 0,15%. К сожалению в отечественных стандартах на высокопрочные болты ГОСТ 22356-77 и ГОСТ 52643-2006 отсутствует аналог атмосферостойкой стали типа 3 по ASTM A 490.

В ближайшее время необходимо разработать, согласовать с заказчиком и заводами изготовителями высокопрочного крепежа технические условия на изготовление болтов из атмосферостойкой стали.

2. «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».

Атмосферостойкие стали формируют защитную пленку продуктов коррозии в большинстве атмосферно-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 субъективен, 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), рис1в.

3. «вызывает беспокойство сварка…».

Заводская технология автоматической сварки толстолистового проката из атмосферостойкой стали марки 14ХГНДЦ под флюсом разработана на Воронежском мостовом заводе (с 1992 г. - ЗАО «Воронежстальмост») в 80-х годах прошлого века совместно с Институтом электросварки им. Патона. В то же время были проведены испытания сварных соединений, которые показали, что прочностные свойства сварных соединений стали 14ХГНДЦ не ниже, чем традиционных марок стали 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 атмосферостойких 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 атмосферостойкая 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 18-30 лет эксплуатации показали, что атмосферостойкая сталь хорошо работает в большинстве сред.

Атмосферостойкая сталь обеспечивает экологические выгоды. Она не требуют 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.

Тормозит широкое внедрение атмосферостойких сталей в мостостроение отсутствие договоренности о цене толстолистового проката из стали 14ХГНДЦ. Расчеты экономической эффективности производства, изготовления и эксплуатации пролетных строений из атмосферостойкой стали показывают, что каждая организация, причастная к производству и эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов из атмосферостойкой стали, может получить свою долю прибыли при её широком внедрении. Распоряжением президента ОАО «РЖД» В.И. Якунина (№1191р от 8.06.09) определен ежегодный объем производства пролетных строений из атмосферостойкой стали для нужд ОАО «РЖД» – 5000 т.

Выводы.

1. С использованием факторного анализа и длительных атмосферных коррозионных испытаний разработана атмосферостойкая сталь марки 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 0,15 мм (с одной стороны). Пролетные строения рекомендованы к дальнейшей эксплуатации 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., and Coburn, S. K., “The Atmospheric Corrosion of Steels as Influenced by Changes in Chemical Composition,” First International Congress on Metallic Corrosion, Butterworths, London, 1962, pp. 276–285.

3. Конюхов А.Д. Коррозия и надежность железнодорожной техники М: Транспорт. 1995. с. 174.

Для связи с автором: Шелест Аза Ивановна – ведущий научный сотрудник ОАО ЦНИИС, 129329 г. Москва, ул. Кольская д. 1, тел. 180-20-42, mail@tsniis.com

Статья опубликована в журнале «Вестник ВНИИЖТ» №4,2011 г., стр. 16-20.

Источник информации: ЦНИИС


Возврат к списку

Для того чтобы оставить комментарий, Вам необходимо авторизоваться.
3.151501159095

Реклама на портале


Rambler's Top100 Яндекс цитирования
Некоммерческое партнерство "Союз Производителей Бетона",2003-2011
Все права защищены. Публикация информации с сайта без активной гиперссылки на www.concrete-union.ru и согласования с руководством запрещена
Адрес электронной почты info@concrete-union.ru
Размещение рекламы на портале НП "Союз Производителей Бетона"