Прогнозирование поведения металлических стержневых конструкций, подвергающихся коррозионному износу

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Многие промышленные и общественные здания, а также инженерные сооружения, эксплуатируемые в наши дни, построены еще в первой половине двадцатого века, во времена интенсивного развития промышленности в СССР. Сегодня эти объекты детально обследуются и при необходимости ремонтируются или реконструируются. Инженерные обследования показывают, что коррозионное разрушение металла является одним из наиболее распространенных повреждений стальных каркасов и их элементов, а также инженерных сооружений. Так, согласно данным [1] стоимость коррозии для человечества по всему миру - 2,2 триллиона долларов в год, что составляет более 3% мирового ВВП.

В последнее десятилетие в России активно идет строительство крупных спортивных и промышленных объектов, а также инженерных сооружений, где основным конструкционным материалом является сталь. Примерами могут служить - арены к чемпионату мира по футболу 2018, олимпийский комплекс в городе Сочи, промышленный комбинат «СИБУР Тобольск», мост через Керченский пролив, энергомост от Зейской ГЭС в Китай и др.

Задача прогнозирования поведения стальных конструкций, подвергающихся коррозионному износу, является важной как для обнаружения и предотвращения критических для работоспособности коррозионных процессов в конструкциях существующих зданий и сооружений, так и для предупреждения возникновения таких процессов в элементах строящихся зданий и сооружений.

Коррозия - это процесс разрушение металла в результате взаимодействия с внешней средой. Причиной возникновения коррозии является термодинамическая неустойчивость металла во внешней среде. Известно, что с точки зрения термодинамики коррозионные процессы необратимы без изменений в окружающей среде. Существует множество классификаций коррозионных процессов, где за основу приняты различные признаки.

В работе [5] приведена одна из таких классификаций, в которой все процессы коррозии разделены на семь классов: избирательная, щелевая, механохимическая, электрохимическая, химическая, биологическая, высокотемпературная. Внутри каждого класса выделены наиболее характерные виды коррозии: сплошная коррозия, питтинговая коррозия, коррозия пятнами, язвенная коррозия, нитевидная коррозия, контактная коррозия, коррозионное растрескивание и др.

Несмотря на то, что проблема возникновения и протекания коррозионных процессов актуальна в научном сообществе, на практике эта тема почти не отражена в нормативной литературе и не используется в реальных инженерных расчетах при проектировании.

На сегодняшний день моделирование коррозионных процессов основано прежде всего на эмпирических данных, и сводятся к описанию изменения различных параметров (количественных показателей) во времени, которые позволяют установить степень коррозионного поражения.

Чаще всего такими параметрами служат:

· изменение массы;

· изменение площади сечения;

· изменение прочностных характеристик;

· глубина коррозионного поражения и др.

Овчинников И.И. и Овчинников И.Г., говоря о прогнозировании и моделировании коррозионных процессов, в своей книге отмечают, что: «На интенсивность коррозионных процессов влияет множество факторов различной природы, точное значение которых трудно или даже невозможно предсказать. По этой причине коррозионный процесс по существу является стохастическим, и его прогнозирование возможно лишь с той или иной надежностью, зависящей от степени изменчивости всех влияющих на него факторов. С другой стороны, стохастические факторы не определяют характер коррозионного процесса, а лишь являются «шумом», случайным образом искажающим регулярный характер физико-химических процессов коррозионного разрушения. Именно регулярный характер этих процессов и позволяет строить математические модели коррозионного износа сталей в различных условиях. При этом модели могут быть как детерминированными, не учитывающими случайные факторы, так и стохастическими, в которых делается попытка учета стохастических эффектов и оценки стохастических характеристик процесса.» [4, с. 9].

Модели коррозионного износа сталей в математическом выражении разделяют на два класса [4]:

· модели, описывающие физико-химический процесс коррозии;

· феноменологические модели, дающие описание скорости изменения различных параметров от времени.

Физико-химические модели - модели, устанавливающие математическую связь между различными характеристиками окружающей среды (влажность, температура, агрессивность окружающей среды и т.д.) и параметром коррозии, в таблице 1 приведены примеры таких моделей [3].

Таблица 1. Физико-химические модели коррозионных процессов

Стоит отметить, что большая часть существующих моделей, описывающих коррозию - феноменологические. Основанием построения таких моделей служат экспериментальные данные, используя которые подбираются наиболее подходящие эмпирические формулы. Внутри группы моделей второго класса, существует деление на модели, не учитывающие и учитывающие напряженно-деформированное состояние конструкций (таблица 2 и таблица 3 соответственно) [3].

Таблица 2. Феноменологические модели, не учитывающие напряженно-деформированное состояние конструкций

Таблица 3. Феноменологические модели, учитывающие напряженно-деформированное состояние конструкций

Сложность прогнозирования коррозионных процессов при помощи феноменологических моделей заключается в том, что не всегда подобранные эмпирические формулы отражают реальный процесс. Еще одна проблема использования существующих моделей коррозии, связанная с тем, что каждая модель отражает лишь частные случаи(при определенных параметрах окружающей среды) и не является универсальной.

Известно, что элементы конструкций разделяют на: стержни, пластины, оболочки и массивные тела [2]. Наибольшее распространение при применении стали как конструкционного материала получили стержневые элементы. По характеру работы стержневые конструкции подразделяют на плоскостные и пространственные. К плоскостным стержневым конструкциям относятся - балки, стойки(колонны), раскосы, плоские фермы; к пространственным - структурные плиты.

Для моделирования с целью дальнейшего прогнозирования поведения существующих стержневых конструкций, подверженных коррозионному износу, в реальном инженерном расчете предлагается следующий порядок действий:

1. Анализ данных инженерного обследования и выбор наиболее подходящей из уже существующей феноменологической модели;

2. Определение значений коэффициентов выбранной модели, обеспечивающих наилучшее приближение;

3. На основании полученной модели разработка программы или использование готовых программных комплексов для расчета конструкций;

4. Анализ полученных результатов, сопоставление с результатами, полученными в итоге инженерного обследования;

Основная сложность заключается в том, что при подборе модели нужно учесть не только имеющиеся данные, но и попытаться спрогнозировать дальнейшую применимость выбранной модели.

В заключение отметим, что, несмотря на достаточную изученность механизма коррозии, существование математических моделей, а также ежегодный многомиллионный ущерб от коррозии конструкций для экономики страны - методика моделирования и прогнозирования процесса коррозии практически не отражена в нормативной литературе и не используется в реальных инженерных расчетах.

Список литературы

коррозионный термодинамический стержневой

1. Now is the Time. George F. Hays [Электронный ресурс] // The world corrosion organization. URL: http://corrosion.org/wco_media/nowisthetime.pdf

2. Александров А.В. и др. Сопротивление материалов: учеб. для студ. вузов / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин /под ред. А.В. Александрова. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2009. - 559 с

3. Овчинников И.И., Еллала Фпузи, Шпранкель М.Ю. Моделирование поведения мостовых металлоконструкций, подвергающихся коррозионному износу // Дороги и мосты. 2010. № 24. С. 150-167.

4. Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Идентификация и верификация моделей коррозионных и деформационных процессов. - Саратов: СГТУ, 2014. - 207 с.

5. Петров В.В., Овчинников И.Г., Шихов Ю.М. Расчет элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой. - Саратов: Из-во Сарат.ун-та, 1987. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru