Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1 Техническое регулирование надежности и конструктивной безопасности с учетом требований противокоррозионной защиты 21
1.1. Проектный уровень надежности и проблема технологической безопасности конструкций зданий и сооружений 21
1.2. Оценка надежности при продлении ресурса конструкций и сооружений 29
1.3. Условия развития и характер коррозионного разрушения металлоконструкций 43
1.4. Параметры режима эксплуатации металлоконструкций при коррозионных воздействиях 49
1.5. Средства и метод защиты от коррозии строительных металлоконструкций 58
1.6. Продление срока службы объектов на основе оценки живучести конструкций 65
1.7. Выводы по разделу 69
РАЗДЕЛ 2 Построение единой структуры показателей качества и надежности противокоррозионной защиты металлоконструкций 72
2.1. Процессный подход к обеспечению качества систем противокоррозионной защиты конструкций 72
2.2. Принципы робастного проектирования противокоррозионной защиты 77
2.3. Определительные признаки коррозионного состояния конструкций 79
2.4. Функциональные требования к мерам первичной и вторичной защиты 82
2.5. Научно-техническое сопровождение диагностики коррозионного состояния конструкций 91
2.6. Номенклатура показателей качества конструкций и их защитных покрытий 95
2.7. Выводы по разделу 97
РАЗДЕЛ 3 Регистрационный метод мониторинга коррозионного разрушения на основе интегральной характеристики потери качества 100
3.1. Задачи мониторинга эксплуатационного состояния при экспертном диагностировании остаточного ресурса 100
3.2. Зонирование, классификация степени агрессивности режима эксплуатации 104
3.3. Нормирование расчетных характеристик коррозионной стойкости строительных металлоконструкций 111
3.4. Методика регистрационного контроля определительных параметров коррозионного состояния 120
3.5. Оценка качества защитных покрытий металлических конструкций цеха непрерывной разливки стали ОАО «Алчевский металлургический комбинат» 128
3.6. Обоснование интервальных показателей коррозионно-механического разрушения стальных конструкций 136
3.7. Статистическая оценка коэффициента коррозионных потерь /для проверочного расчета несущей способности 140
3.8. Выводы по разделу 146
РАЗДЕЛ 4 Моделирование параметров конструктивной риспособленности и технологической рациональности при оценивании соответствия мер защиты от коррозии 149
4.1. Расчетные модели определительных параметров коррозионного состояния стальных конструкций 149
4.2. Методика подтверждения соответствия показателей качества и надежности 159
4.3. Расчетно-экспериментальная оценки определяющих параметров коррозионного состояния стальных конструкций 162
4.4. Конструкторско–технологическая отработка мер первичной и вторичной защиты 164
4.5. Требования робастного проектирования мер защиты от коррозии металлоконструкций дымовой трубы установки производства элементарной серы АО «Укртатнафта» 172
4.6. Выводы по разделу 182
РАЗДЕЛ 5 Определительные испытания по установлению ремонтопригодности металлоконструкций и их защитных покрытий 185
5.1. Обоснование мер долговременной защиты конструктивных элементов сборно-разборных трубчатых конструкций 187
5.2. Оценка ремонтопригодности конструкций из холодногнутого тонколистового проката 199
5.3. Оценка определительных параметров коррозионного состояния оцинкованного профилированного настила по результатам натурных испытаний 204
5.4. Ускоренные испытания сроков службы полимерных покрытий 211
5.5. Оценка ремонтопригодности конструкций и их защитных покрытий по уровню коррозионной опасности зданий и сооружений 223
5.6. Испытания на искусственное старение комбинированных ограждающих конструкций 225
5.7. Выводы по разделу 238
РАЗДЕЛ 6 Стратегия технического обслуживания и восстановление работоспособности конструкций при коррозионных воздействиях . 240
6.1. Регламентные требования разработки программы обеспечения надежности промышленных объектов в коррозионных средах 240
6.2. Диагностика определительных параметров коррозионного состояния для снижения уровня коррозионной опасности 247
6.3. Расчетные ситуации по уровню коррозионной опасности 249
6.4. Расчетно-экспериментальная оценка интегральной характеристики живучести 250
6.5. Выявление определительных параметров коррозионного состояния на ранних стадиях послемонтажной готовности конструкций 257
6.6. Выводы по разделу 261
РАЗДЕЛ 7 Управление безопасностью промышленных объектов на основе нормирования определительных параметров коррозионного состояния металлоконструкций 263
7.1. Разработка конструктивно-технологических мер продления ресурса с учетом интегральной характеристики живучести 263
7.2. Возобновление противокоррозионной защиты при установленной категории ответственности конструкций по коррозионной опасности 269
7.3. Экономическая эффективность мер противокоррозионной защиты по признакам коррозионной опасности 277
7.4. Продление ресурса объектов повышенной опасности 279
7.5. Управление уровнем коррозионной опасности при использовании информационно-аналитической базы данных «Ресурс» 294
7.6. Выводы по разделу 296
Выводы 298
Список использованных источников
- Оценка надежности при продлении ресурса конструкций и сооружений
- Принципы робастного проектирования противокоррозионной защиты
- Нормирование расчетных характеристик коррозионной стойкости строительных металлоконструкций
- Расчетно-экспериментальная оценки определяющих параметров коррозионного состояния стальных конструкций
Оценка надежности при продлении ресурса конструкций и сооружений
Существующая система обеспечения надежности и безопасной эксплуатации сооружений, конструкций, оборудования и инженерных сетей имеет определенные недостатки, которые приводят к дальнейшему ухудшению их технического состояния, а также к неэффективному использованию средств, в том числе государственного и местных бюджетов, выделяемых для мероприятий по их предупреждению [95].
Недопустимость дальнейшего снижения уровня безопасности и уменьшение сроков службы важных объектов экономики при эксплуатации сооружений, конструкций, оборудования и инженерных сетей, работающих на грани исчерпания своего ресурса и представляющие потенциальную опасность для жизнедеятельности, отсутствие системного подхода к решению данной проблемы обусловливают необходимость [95, 156, 216]: – использования системного подхода к решению проблемы обеспечения технологической безопасности в основных отраслях экономики на основе единой согласованной и научно обоснованной государственной политики в указанной сфере на национальном, отраслевом, региональном и объектном уровне; – устранения разногласий в законодательных и других нормативных актах, которые регулируют указанные вопросы в различных отраслях экономики, в части обеспечения надежности и безопасной эксплуатации объектов гражданского назначения и принятия соответствующих мер; – учета изменений, произошедших в экономике и в полномочиях органов исполнительной власти за последние десятилетия; – нормативного урегулирования вопросов, связанных с порядком и условиями определения остаточного ресурса, продления проектного срока эксплуатации для большинства объектов, а также установление ответственности владельцев этих объектов по обеспечению предусмотренного нормативной, проектной и эксплуатационной документации режима эксплуатации, поддержание необходимого технического состояния. Существующий фонд строительных металлических конструкций только в основных областях промышленности насчитывает около 36 млн. тонн, эксплуатируемых несущих металлических конструкций [254, 263]. Из них основными являются металлоконструкции промышленных зданий, общая масса которых приравнивается к 12,2 млн тонн, что составляет около 35% общей массы конструкций, находящихся в эксплуатации. Анализ технического состояния зданий и сооружений, которые построены не только в 50–70-е годы, но и в последние 10–20 лет, свидетельствует о том, что в их содержании отсутствует упорядоченность, соответствующая организационно-правовая система, которая может обеспечивать эффективную и надежную эксплуатацию, диагностику технического состояния, своевременный ремонт, реновацию и предупреждала бы аварии, обеспечивая таким образом сохранение металлофонда и экологического состояния окружающей среды. Значительная часть этого фонда имеет физический износ и повреждения.
Поскольку масштабы строительства новых зданий и сооружений снижены, то возникает проблема обеспечения надежности эксплуатации существующего парка строительных металлических конструкций [259, 257, 265].
В настоящее время около 50% металлофонда зданий и сооружений различных отраслей промышленности и сельского хозяйства эксплуатируется в условиях средне- и сильноагрессивных воздействий, что является усугубляющим фактором снижения технологической безопасности, при этом потери от коррозии составляют 10-15% всего выработанного черного металла в стране.
Практика показывает, что каждые 3…4 года возникает необходимость восстановления до 75% металлоконструкций и 10...20% их замены из-за коррозийного износа. Затраты на противокоррозионную защиту в химической, нефтехимической, металлургической промышленности достигают 10 – 15% общей стоимости строительных металлоконструкций [95, 194]. Суммарно, в большинстве промышленно-развитых стран потери от коррозии достигают 4 – 6 % национального дохода. Ориентировочные ежегодные прямые расходы, связанные с коррозией, составляют по данным американской ассоциации коррозионистов (NACE International) 276 млрд. $ США, что составляет 3,1% номинального валового внутреннего продукта США.
Неудовлетворительное состоянием отечественного металлофонда по уровню коррозионной защищенности, долговечности и надежности [95, 138, 209], является причиной развития деградационных процессов в материалах и конструкциях, приводит в критическое состояние основные производственные фонды в ведущих отраслях промышленности, агропромышленном комплексе, системах жизнеобеспечения, инженерных сетях.
Обострение проблемы поддержания в надлежащем техническом состоянии ядерных объектов на территории Украины повышает риск возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера и составляет в соответствии со статьей 7, Закона Украины «Об основах национальной безопасности Украины» угрозу национальной безопасности Украины в экономической и экологической сфере.
Учитывая высокую значимость мер по обеспечению надежности и долговечности металлофонда, борьба с коррозией является важным элементом государственной технической и экономической политики всех промышленно развитых стран.
Принципы робастного проектирования противокоррозионной защиты
На первом этапе, «определение» (define), выявляются особенности и формулируются принципы, условия, нормативные требования к характеристикам первичной и вторичной защиты для достижения заданного уровня отклонений.
Второй этап, «измерение» (measure), обеспечивает сбор статистических данных, характеризующих базовый уровень показателей работы, выявление конструктивных и технологических особенностей, требующих наибольшего внимания.
На третьем этапе, «анализ» (analyze), обосновываются расчетные модели и ситуации, после чего правильность выбора средств и методов противокоррозионной защиты проверяется расчетными процедурами оценки параметров коррозионной стойкости и долговечности.
При выполнении четвертого этапа, «совершенствование» (improve), внедряются решения, отражающие оптимальные характеристики проектных показателей спецификаций качества и надежности мер первичной и вторичной защиты от коррозии. Целью пятого этапа, «контроль» (control), является оценка состояния и мониторинг эффективности заданных проектных решений противокоррозионной защиты строительных объектов. Принципы моделирования взаимодействия подсистем «Нагрузка– Конструкция–Среда» (Н–К–С) (рис.2.2) при решении диагностических задач коррозионного разрушения конструктивной формы использованы для разработки теоретической основы инженерных расчетов на коррозионную стойкость и долговечность в работе [139].
В соответствии с подходом [206, 248] требования к показателям долговечности первичной и вторичной противокоррозионной защиты допускается устанавливать в зависимости от срока эксплуатации. Нагрузка
При этом используются заданные характеристики коэффициента надежности противокоррозионной защиты yzk по показателю коррозионной стойкости (первичная защита) и коэффициенту надежности противокоррозионной защиты ут по гарантированной долговечности (вторичная защита).
Расчет на коррозионную стойкость с учетом мер первичной защиты производится по первой и второй группам предельных состояний, связанных с потерей несущей способности и ограничением чрезмерных деформаций. Возможные отклонения характеристик геометрических сечений, физико-механических свойств материала в неблагоприятную сторону от их проектных значений, обеспечиваемых способами и методами первичной и вторичной защиты, при нарушении условий нормальной эксплуатации учитываются коэффициентами надежности противокоррозионной защиты уф Расчет показателей долговечности связан с ограничениями состояния вторичной защиты, затрудняющими нормальную эксплуатацию в агрессивных средах. 2.2. Принципы робастного проектирования противокоррозионной защиты
Одним из важнейших факторов, обеспечивающих надежность строительных конструкций, при реализации на уровнях принятия проектного решения, монтажа и эксплуатации, является выбор средств и методов противокоррозионной защиты с учетом коррозионных воздействий и уровня ответственности зданий и сооружений. Основным свойством, определяющим надежность строительных конструкций, зданий и сооружений в целом, является безотказность их работы – способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного срока службы.
Проблема обеспечения высокого качества противокоррозионной защиты строительных конструкций носит многофакторный характер и включает: – изучение рыночных потребностей средств и методов противокоррозионной защиты; – расчетно-экономическую оценку и нормирование показателей долговечности; – рациональное проектирование средств и методов первичной и вторичной защиты; – обеспечение производственных потребностей в материалах и технологическом оборудовании; – технологическую подготовку работ по нанесению противокоррозионного покрытия; – противокоррозионную защиту конструкций в заводских условиях; – контроль качества и сертификационные испытания; – погрузочно-разгрузочные работы при транспортировке; – комплектование и укрупнительную сборку; – противокоррозионную защиту в процессе монтажа и эксплуатации; – ремонтно-окрасочные работы при усилении и реконструкции; – демонтаж и ликвидацию (утилизацию) металлоконструкций (вывод из эксплуатации).
Деградационные процессы физико-химической структуры металлических элементов и их защитных покрытий при коррозионных воздействиях среды ведут к снижению долговечности строительных объектов, к разрушениям, приводящим к затруднению нормальной эксплуатации (вторая группа предельных состояний) или к их полной непригодности (первая группа предельных состояний).
Случайный характер показателей коррозионной стойкости связанный с природой металлургических факторов рассматривается для строительных сталей на основе нормального распределения, обеспечивающего точность оценки параметров процессов износа и старения.
Расчет строительных металлических конструкций на коррозионную стойкость и долговечность в постановке рассматриваемой задачи выполняется при действии статических нагрузок, без учета природы мало- и многоцикловой коррозионной усталости. Расчетно-экспериментальная оценка показателей коррозионной стойкости и долговечности выполняется для однородных конструктивных элементов в пределах однородных по составу и интенсивности воздействий зон эксплуатации промышленных и гражданских объектах.
Действующими нормативными документами не предусматривается расчетно-экспериментальная оценка показателей надежности и гарантированной долговечности по результатам ускоренных коррозионных испытаний. Указанное обстоятельство является причиной низкой эффективности противокоррозионной защиты и не позволяет выполнять расчеты на коррозионную стойкость и долговечность с учетом требований методики предельных состояний.
Нормирование расчетных характеристик коррозионной стойкости строительных металлоконструкций
Формирование требований фактических значений коррозионной агрессивности воздействий осуществляется по данным контроля контрольного норматива Kp на эталонных образцах в однородных зонах эксплуатации промышленных объектов (см. рис. 3.4) Для решения задачи количественной оценки коррозионных воздействий разработана программа стендовых испытаний, которая предусматривает проведение экспериментальных измерений в однородных зонах эксплуатации с целью классификации агрессивных сред по степени агрессивности воздействий на элементы стальных конструкций в соответствии с требованиями [241]. Определение показателей коррозионной агрессивности выполняется в характерных точках однородных зон эксплуатации строительных конструкций. Характерной точкой для участка или зоны натурного обследования является такое расположение измерительных приборов, при котором в пределах установленной зоны влияние технологических факторов на формирование эксплуатационной среды принимается одинаковым.
Подготовка, организация и проведение натурного экспериментального исследования проведены с учетом установленных стандартных методик испытания [60, 114]. Для обеспечения возможности статистического анализа степени агрессивности сред использованы серии образцов размером 50х50мм, толщиной 4 мм из различных марок сталей, размещенные в тридцати одной однородной зоне эксплуатации основных цехов предприятий горнометаллургического производства. Общее количество испытываемых образцов составило 279 шт. Анализ технологических процессов производства, состава и концентрации агрессивных воздействий на элементы строительных конструкций позволяет установить степень агрессивности ТВР эксплуатации. Результаты гравиметрического контроля в однородных зонах эксплуатации после экспонирования в течении 365 суток после проведения стендовых испытаний [248] представлены в таблице приложения Б.
Расчет степени агрессивности воздействий по результатам стендовых испытаний выполнен по данным промежуточного контроля коррозионных потерь методом наименьших квадратов.
Проверка однородности дисперсий результатов натурных исследований производилась по критерию Кохрена при 5% уровне значимости.
Адекватность расчетных значений коррозионных эффектов устанавливалась по табличному значению критерия Фишера.
Показатель точности полученных экспериментальных данных натурного испытания стальных образцов изменяется в интервале значений 6,8…28,3%.
По результатам натурных испытаний можно сделать вывод, что эксплуатационная среда характеризуется как высоко- и сильноагрессивная, скорость коррозии стали превышает 0,5 мм/год.
В составе заводской газовой среды преобладают сернистый ангидрид, окислы азота, углекислый газ, сероводород; влажность воздуха составляет 70-100%. Результаты оценки степени агрессивности среды приведены для 6 основных цехов ПрАО Ясиновский КХЗ на рис.3.5. При проведении натурного эксперимента [248] форма, размеры и количество образцов приняты в соответствии с программой испытаний и методами оценки коррозионного разрушения (таблицы приложения А, приложения Б). Состав и степень агрессивности воздействий принята для однородных зон эксплуатации промышленных объектов по результатам экспериментальных замеров. Факторы коррозионной агрессивности классифицируются по шести степеням коррозионной агрессивности, приведенным в табл.3.6.
Основной характеристикой агрессивных сред является нормативное значение коррозионных потерь Аn (L, G, S), г/м2 год, незащищенной малоуглеродистой стали обычной коррозионной стойкости (класса С235), с учетом заданной продолжительности воздействий жидких (L), газообразных (G), твердых сред (S). Расчетное значение коррозионных потерь A (L, G, S) определяют с помощью зависимости 4 (L, G, S) = yq n(L, G, S)-yflc-y„ic, (3. 1) где yq = т (L,G,S)/TO– коэффициент продолжительности воздействий, представляющий отношение продолжительности воздействия коррозионно-активных компонентов в часах z(L,G,S) к среднему числу часов в году, то; Yju - коэффициент надежности по воздействиям, зависящий от степени агрессивности и категории размещения конструкций. утк - коэффициент надежности по материалу при оценке степени агрессивности воздействий: К r =f, (3.2) где Ат - коррозионные потери рассматриваемых сталей за 1 год эксплуатации в заданной однородной зоне, г/м2; Ао - коррозионные потери образцов из малоуглеродистой стали обычной коррозионной стойкости (класса С235), г/м2.
Проведение стендовых испытаний образцов стали обычной коррозионной стойкости (ВСт3пс5), пониженной коррозионной стойкости (09Г2) и атмосферостойких сталей (10ХНДП) позволили в качестве нормативной характеристики коррозионного разрушения ввести понятие коэффициента надежности по материалу утк при оценке степени агрессивности воздействий.
Исходные показатели образцов до испытания определялись гравиметрическим методом и путем выборочного контроля параметра шероховатости поверхности. Подготовленные образцы размещались в кассетах по 3 шт.
Программа испытания предусматривала проведение четырех промежуточных оценок изменения начальных характеристик стальных образцов с периодом экспозиции кратным 6 месяцам в течении 2 лет. Образцы, закрепленные в кассетах, были установлены в характерных точках зон натурного обследования, таким образом, чтобы плоскость рабочей поверхности имела горизонтальную ориентацию.
Оценка результатов испытания осуществлялась после каждого промежуточного съема по потере массы образцов и выборочным определением параметра шероховатости при неравномерном характере разрушения поверхности стали. Вид коррозионного разрушения определялся в соответствии с требованиями [145].
Расчетно-экспериментальная оценки определяющих параметров коррозионного состояния стальных конструкций
Для большинства конструкционных материалов эффект взаимодействия их со средой проявляется не только в поверхностном разрушении материала, но и формировании такого состояния материала, которое определяет его дальнейшее поведение, в том числе и разрушение. Результатом специфического воздействия агрессивных сред является, как правило, ухудшение прочностных и деформационных характеристик металла.
Изменение механических свойств сталей за счет коррозии в значительной степени зависит от вида коррозионного разрушения. Местная коррозия (пятнами, язвами, точечная) значительно влияет на изменение пластичности стали (до 60%, в то время, как прочность снижается всего на 4%) [131]. Главная опасность влияния напряженного состояния на коррозию состоит не в увеличении общей коррозии, а в изменении ее характера – в превращении ее из равномерной в локальную. Оказывая незначительное влияние на общую коррозию, напряжения интенсифицируют местные виды коррозии, наиболее опасной формой, которых является коррозионное растрескивание.
Коэффициент надежности противокоррозионной защиты при оценке технического состояния учитывает качество эксплуатации, статистическую природу, характер и величину коррозионного разрушения поверхности металла при контакте с агрессивной средой.
В соответствии с порядком, определенным на рис. 3.20, расчетная оценка коэффициента надежности противокоррозионной защиты выполняется на основе экспериментальных данных контроля параметров напряженно-деформированного состояния.
Получение дополнительной, а также отсутствующей в технической документации информации об уровне номинальных и местных напряжений и деформаций, необходимой для установления механизмов повреждений для расчета остаточного ресурса, производится при выполнении экспериментальных исследований.
Оценка технического состояния выполняется на основе типовой модели режима эксплуатации, установленной при проектировании с учетом выявленных в процессе эксплуатации дефектов и повреждений.
Типовая модель эксплуатации согласно [170] содержит: характеристику принятой системы технического обслуживания и ремонта; уровни внешних воздействующих факторов и нагрузок.
В качестве базовой концепции для определения остаточного ресурса использован подход, основанный на принципе «безопасной эксплуатации по фактическому состоянию» [213]. Согласно этому подходу оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию, а остаточный ресурс - по определяющим параметрам технического состояния.
Схема экспериментального оценивания и формирования выборки показателей ОПКС: у/k – коэффициент надежности по воздействию коррозионных сред; утк - коэффициент надежности по материалу; A(L,G,S) воздействия факторов агрессивности среды; yq - коэффициент продолжительности воздействий; с - коэффициент кинетики коррозионного износа; v - коэффициент питтингообразования; Аr - степень агрессивности среды; хобщ, тадс, тфаз - продолжительности общего, адсорбционного и фазового увлажнения соответственно; сх - концентрация коррозионно активных агентов.
Особенностью расчета за расчетным сроком службы конструкции является корректировка исходных данных типовой модели режима эксплуатации с учетом допускаемых конструктивных, технологических и эксплуатационных ограничений для продления остаточного ресурса. Определение остаточного ресурса осуществляется согласно установленным закономерностям изменения определяющих параметров, полученным при анализе механизмов развития повреждений и по результатам измерения функциональных показателей. На основании полученных оценок принимается решение о дальнейшей эксплуатации объекта. Основные этапы определения остаточного ресурса потенциально опасных объектов показаны на структурной схеме (рис.3.21). Представленная последовательность обоснования продления остаточного ресурса включает использование вероятностно-физического метода анализа надежности [169], включающего количественную оценку показателей надежности на основе результатов экспертного диагностирования и результаты физико-химического и математического моделирования коррозионного разрушения при ускоренных и стендовых испытаниях конструктивных элементов.
Реализация методического подхода выполнена в условиях производственных предприятий горно-металлургического комплекса для оценки качества эксплуатации стальных конструкций объектов по результатам экспертного диагностирования коррозионного состояния (таблица 3.11). Показатель качества эксплуатации устанавливается по результатам экспертного диагностирования металлических конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах (рис.3.22). Результаты аудита оформляются в виде показателей экспертного диагностирования коррозионного состояния. Вместе с этим, возможности физико-химического и математического моделирования коррозионно-механического разрушения с учетом фактора времени при обосновании мер по продлению остаточного ресурса ограничиваются только одноосным напряженным состоянием