Гребнов В.С., Гребнова А.Б., Зубков Е.М., Данилов Ю.П. "Влияние внешних воздействий на металлические конструкционные элементы"

Гребнов Вячеслав Сергеевич, генеральный директор группы компаний «СИСТЕМА»

Гребнова Алла Борисовна, директор ООО Научно-технический центр «Система»

Зубков Евгений Михайлович, начальник отдела ООО НТЦ «Система»

Данилов Юрий Петрович, директор ООО «Технобаланс»

Влияние внешних воздействий на металлические конструкционные элементы

Проводится анализ внешних воздействий (нагрузок, температуры, различных физических полей, агрессивных сред) на развитие коррозионных процессов протекающих в конструкционных элементах технических устройств, зданий и сооружений на опасных производственных объектах. 

При обследованиях, техническом диагностировании, экспертизе промышленной безопасности технических устройств, а также конструктивных элементов зданий и сооружений на опасных производственных объектах (ОПО), нередко анализируется   только статическое состояние исследуемого объекта, без учёта внешних воздействий. Такой подход не позволяет произвести достоверную и полную оценку фактического технического состояния объекта, а также спрогнозировать возможность и срок его дальнейшей безопасной эксплуатации. Объективные данные можно получить только при комплексном анализе всех воздействий на обследуемый объект, рассматривая при этом как статическое состояние объекта, так и динамику внешних воздействий на него.

Под внешними воздействиями понимают действие нагрузок, температуры, различных физических полей, агрессивных сред.

Силы, действующие на конструкции, разделяют на внешние и внутренние. В случае если элемент конструкции рассматривается изолированно от других  узлов и деталей, то действие последних заменяется силами, которые называются внешними или нагрузками. Силы взаимодействия между частями отдельного конструктивного элемента называются внутренними.

Внешние силы можно условно разделить на три группы: сосредоточенные, распределительные и объёмные (массовые) силы.

Сосредоточенные – силы, действующие на участках поверхности, соизмеримых с полной поверхностью конструктивного элемента (например, давление жидкости в сосуде).

Объёмные силы приложены к каждой частице материала (силы тяжести, силы инерции).

При построении модели нагружения внешние нагрузки схематизируются, т. е. приводятся к этим группам сил. Чаще всего на конструкцию действуют не все нагрузки сразу, а некоторые, наиболее вероятные их комбинации и сочетания. В инженерных расчётах обычно учитывают только опасные сочетания нагрузок.

По характеру изменения во времени нагрузки делятся на статические и переменные.

Статической называют нагрузку, которая медленно возрастает от нуля до своего номинального значения и остаётся неизменной в процессе работы конструкции (рис. 1). Например, нагружение строительных конструкций весом зданий.

Рис. 1.

Переменной называют нагрузку, периодически меняющуюся во времени (рис.2). Наиболее важный класс переменных нагрузок – циклические нагружения.

Рис.2.

Различают малоцикловое нагружение, характерное для элементов конструкций и деталей машин, циклы работы которых набираются за счёт запуска и остановки машин. Число таких циклов обычно составляет 10⁴ … 10⁵, в этом случае нагружение называют многоцикловым.

Иногда встречается динамическое ударное нагружение (взрыв, землетрясение и т.п.) характеризующиеся высокой скоростью возрастания нагрузки.

Для и конструктивных элементов технических устройств, зданий и сооружений, особенно применяемых на опасных производственных объектах (ОПО) в химической и нефтехимической промышленности, кроме статических и динамических нагрузок характерно воздействие температурного поля и агрессивных сред.

Действие температуры проявляется двояким образом. В первую очередь, понижение или повышение температуры приводит к изменению механических характеристик материалов и даже к изменению механизма деформирования. Например, при высоких температурах главенствующую роль может занять процесс ползучести или релаксации.

При неравномерном нагреве тела создаются температурные напряжения, величина которых может оказаться опасной. Для учёта теплового расширения предполагается, что полная деформация состоит из двух частей:

e = e _сил. + e _тепл.

где e _сил. – деформация, вызванная действием внешних нагрузок;

      e _тепл. - деформация, вызванная действием температуры, причём  e _тепл. = ɑ ΔТ, где:

 ɑ - коэффициент линейного расширения;

ΔТ - изменение температуры.

Исходя из закона Гука:

δ = Е e

где   δ – напряжение;

        Е – модуль упругости.

для линейно упругой модели материала можно записать:

                                                         δ

                                               e =  ----   + ɑ ΔТ

                                                         Е

Учёт температурных нагрузок особенно важен на объектах теплоэнергетики, особенно на котлоагрегатах большой мощности и трубопроводах пара и горячей воды I и II категорий, работающих с температурами среды выше 400^оС. В результате температурных воздействий не исключены структурные изменения металла, и при определении возможности дальнейшей эксплуатации таких объектов необходимо проводить металлографические исследования структуры металла.

Под влиянием агрессивных сред изменяются многие свойства материала, как кратковременные, так и длительные. Прежде всего, многие константы, характеризующие поведение материалов в нейтральной среде, становятся функциями, причём степень их изменения оказывается разной для различных точек объекта. Следовательно, воздействие агрессивной среды приводит к появлению наведённой и изменяющейся с течением времени неоднородности механических свойств по объёму конструктивного элемента.

Воздействие сред может вызывать обратимое или необратимое изменение свойств материалов. При обратимом влиянии после удалении агрессивной среды исходные механические свойства восстанавливаются, а при необратимом не восстанавливаются. По влиянию на механические свойства материалов среды классифицируются следующим образом:

·      неактивные среды;

·      коррозионно-агрессивные среды, вызывающие химическую и электро-химическую коррозию;

·      среды абсорбирующиеся объёмом материала и этим изменяющие его механические свойства (например, водород), а также растворяющие материалы, образующие твёрдые растворы с ним;

·      среды, образующие с конструкционным материалом химические соединения;

·      среды, влияющие на конструктивный материал радиационно, механически.

Коррозионные поражения металла агрессивной средой разрушают металл, выводят из строя элементы конструкций, детали машин и аппаратов. На фото 1. показано измерение ультразвуковым прибором остаточной толщины металлической опорной стойки, имеющей значительные коррозионные повреждения в результате воздействия паров серной кислоты.

Фото 1.

При газовой коррозии фото 2. на поверхности металла в результате взаимодействия с агрессивной средой появляется новое химическое соединение в виде слоя. Стойкость этого слоя (окалины) зависит от его механических свойств, а также от сил сцепления между окалиной и металлом. Газовая коррозия может быть атмосферной (т.к. около 80% всего металла в виде элементов конструкций и деталей машин используется в атмосфере), грунтовой, морской [1].

По характеру воздействия она может быть равномерной или локальной.

Фото 2.

Весьма опасна коррозия в сочетании с действием механических напряжений. Коррозия под напряжением обычно вызывает коррозионное растрескивание (коррозионную статическую усталость) металла. Это явление имеет место при обязательном действии растягивающих напряжений либо от внешних нагрузок, либо от остаточных деформаций. Коррозионному растрескиванию подвержены большинство металлов и сплавов.

Влияние внешних воздействий на объекты необходимо учитывать в течение всего срока их эксплуатации – при разработке графиков и объёмов технического обслуживания, текущих и капитальных ремонтов, при реконструкции и техническом перевооружении.

Требования Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [2] определяющего правовые, экономические и социальные основы обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов в первую очередь предполагают необходимость  всестороннего анализа условий безопасной эксплуатации технических устройств и строительных конструкций на производственных объектах, представляющих повышенную опасность, с целью организации содержания оборудования и строительных конструкций в работоспособном и безопасном состоянии, в рамках действующего законодательства с учётом индивидуальных особенностей производства.

Правила, устанавливающие порядок проведения экспертизы промышленной безопасности [3] также определяют необходимость индивидуального анализа условий эксплуатации объекта при определении возможности его дальнейшей эксплуатации.

Для достоверной оценки состояния строительных конструкций и конструктивных элементов технических устройств с целью прогнозирования возможности и допустимых сроков их дальнейшей безопасной эксплуатации необходимо анализировать весь спектр существующих и возможных воздействий на объекты, исходя из условий и режима их работы.

Список литературы:

1.    Овчинников И.Г., Хадеев В.М. Учебное пособие. Расчёт конструкций подверженных коррозионному износу. Иваново, 1991-102 с.

2.    О промышленной безопасности опасных производственных объектов: федер. закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ: принят Гос. Думой 20 июня 1997 г.: в действующей редакции от 13.07.2015. М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2015, 56 стр.

3.    Правила проведения экспертизы промышленной безопасности: федер. нормы и правила в обл. пром. безопасности: утв. приказом Ростехнадзора от 14 нояб. 2013 г. № 538// Рос. газ. 2013, № 6272, 31 дек.