Главная | Архитектура и строительство | Статьи | Безопасность, ИТ, Связь | Антикоррозийная защита конструкций

Безопасность, ИТ, Связь

Антикоррозийная защита конструкций

akzВ. П. ПОДИВИЛОВ, эксперт, Омск

Здания и сооружения являются частью национального богатства страны. Их общая стоимость к концу 80-х годов оценивалась в сумме более 750 млрд. рублей.

Увеличение темпов строительства и погоня за снижением стоимости долгие годы были определяющими в технической политике, поэтому вопросы увеличения сроков службы строительных конструкций и обеспечения химической стойкости неизменно отодвигались на второй план, а порой просто игнорировались.

Размеры конструктивных элементов назначались и назначаются в основном по требованию прочности, без учёта коррозионных потерь. Так, например, СНиП 11-23-81 (стальные конструкции, нормы проектирования) запрещает увеличивать толщину конструктивных элементов даже в условиях сильно агрессивных сред, нисколько не учитывая   условия эксплуатации и экономическую целесообразность таких требований.

Считались неизменными (или малоизменяемыми) и теплотехнические характеристики материалов на весь период эксплуатации зданий без учёта тех процессов, которые протекают под влиянием окружающей среды.

Обеспеченность строительных конструкций средствами защиты от коррозии значительно отставала от объёма строительного производства. По некоторым материалам – химически стойким лакокрасочным и металлизационным, мастикам, герметикам, современным листовым или рулонным полимерным плёнкам - она составляла всего 20-30% от потребности.

Поэтому большинство зданий и сооружений, построенных в послевоенные годы (с 1951 по 1985 годы в стране было сдано в эксплуатацию около 18000 только крупных промышленных объектов, выполнены со строительными конструкциями, не соответствующими современным требованиям по химической стойкости и долговечности).

Ежегодный ущерб от коррозии в нашей стране огромен: коррозия съедает до 20% производимого металла.

Статистические данные о зарегистрированных на территории России авариях за период 1995-1999 гг. указывают на резкое возрастание числа аварий. Анализ причин аварий действительно подтверждает, что на долю коррозии элементов конструкций приходится 30% от общего числа аварий и 75% от числа аварий на промышленных объектах.

НОРМИРОВАНИЕ АГРЕССИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

В условиях действия кислот, щелочей, высокой относительной влажности воздуха, периодических увлажнениях с замораживанием и оттаиванием, снижение несущей способности происходит чаще не от механических нагрузок, а от недооценки агрессивных сред, воздействия которых не регламентируется СНиПом. Поэтому даже тщательно выполненные расчёты и запроектированные в соответствии с ними элементы ещё не гарантируют «отказ», если не учтены коррозионные воздействия.

Для конструкций из железобетона и бетона не всегда обязателен контакт с внешней агрессивной средой: нарушение технологии изготовления, введение избыточного количества хлоридсодержащих добавок или попадание хлоридов в бетон вместе с заполнителями могут быть причиной коррозии и снижения несущей способности.

Поэтому общую оценку коррозионной опасности целесообразно определять на разных условиях: материал – конструкция – здание (сооружение).

Принятая в нормативных документах качественная оценка коррозионной опасности по степени возрастания подразделяется на четыре категории: неагрессивная, слабоагрессивная, среднеагрессивная и сильноагрессивная.

Для металлоконструкций существует классификация, основанная на скорости коррозии – количество мм в год. По уменьшению сечения можно расчётным путём проверить усилия в элементах и определить снижение несущей способности конструкций при условии, что коррозия имеет равномерный характер.

Для элементов зданий из бетона, железобетона, асбестоцемента и некоторых других неметаллических материалов такой чёткой зависимости нет. Систематизация часто даётся по внешним признакам, например: слабое разрушение поверхности – слабая степень агрессивности; повреждение углов – средняя степень агрессивности; «чётко выраженные разрушения», обнаружения заполнителей, трещины – сильная степенеь агрессивности. Снижение несущей способности по таким признакам при этом может быть определено довольно субъективно.

 

АТМОСФЕРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Для металлических конструкций определяющим параметром скорости атмосферной коррозии, является продолжительность контакта с адсорбционной влагой и наличие коррозионно-активных сред. Коррозия металла развивается под адсорбционными слоями воды, когда влажность воздуха равна или превышает «критическую», т. е. более 70%. Но без образования на поверхности конденсата. Коррозию при такой влажности (70-95%) называют «влажной» атмосферной коррозией.

На коррозию железобетонных конструкций при нормальной плотности бетона атмосферная влажность, при отсутствии агрессивных газов, оказывает незначительное влияние. Если же имеются такие газы, как: диоксид серы, сероводород, хлор, хлористый водород и др., то в зависимости от их содержания в воздухе степень агрессивности изменяется от слабой до сильной, главным образом из-за опасности коррозии арматурной стали. Что касается бетона, асбестоцемента, кирпича, то при отсутствии непосредственного увлажнения и переходов температуры через 0о С, степень агрессивности среды значительно ниже.

АГРЕССИВНЫЕ СРЕДЫ ВНУТРИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Отапливаемые здания имеют свой внутренний микроклимат, определяемый технологическими и санитарно-гигиеническими требованиями. За счёт искусственно поддерживаемой температуры и относительной влажности, изоляции от влияний наружной атмосферы основные параметры, определяющие степень агрессивности, довольно стабильны.

 

КОРРОЗИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ, БЕТОНОВ И КЛАДОК

Сталь является кристаллическим материалом, в узлах решётки которой имеются ион-атомы, потерявшие один или несколько валентных электронов.

Ион-атомы могут существовать в кристаллической решётке только при наличии связи с полусвободными электронами. Если эту связь разорвать, то ион-атом превращается в свободный металлический ион. При переходе в гидратированном состоянии в электролит, на металле остаётся эквивалентное количество электронов, которые не переходят в раствор, а заряжают металл отрицательно. Так как они сосредоточены на поверхности раздела металл-электролит, на границе этого раздела устанавливается определённая разность потенциалов.

Условно принимают, что неоднородные участки на поверхности металла являются как бы микрогальваническими элементами. Анодные и катодные процессы в них протекают на границе металл-электролит, а сами процессы идут одновременно на одних и тех же участках поверхности, через которую они замкнуты между собой. Это позволяет к расчётам скорости коррозии применять основные законы электрохимической кинетики.

Анодные процессы связаны с процессом перехода металла в электролит в виде гидратированных ионов. В электролит могут перейти только ионы поверхностного слоя, так как для перехода необходимо затратить энергию на преодоление электростатического притяжения. Источником энергии, необходимой, чтобы оторвать ионы от основного металла, является реакция гидратации.

Катодный процесс заключается в ассимиляции избыточных электронов атомами или молекулами электролита (деполяризация).

В качестве деполяризатора могут быть молекулы кислорода или ионы водорода, растворённые в воде. Ассимилируют свободные электроны также некоторые агрессивные газы (хпор, диоксид серы и др.). Существуют процессы и со смешанной деполяризацией.

В атмосферных условиях, а также при увлажнении водой, процессы коррозии протекают в основном с кислородной деполяризацией.

Разрушение бетона в агрессивных средах происходит главным образом по связующему – цементному камню, так как заполнители обладают, как правило, большой плотностью и химической стойкостью.

Бетон является высокощелочным материалом, поэтому любые газы и жидкости, имеющие кислую природу, могут с ним активно реагировать.

В отличие от металла, контакт с агрессивными средами для которого осуществляется по поверхности, близкой к развернутой площади конструкций, в бетоне (являющимся капиллярно-пористым телом) площадь взаимодействия с агрессивной средой значительно больше. В эту площадь включаются капилляры и поры размером больше 10 см, трещины, пустоты, по которым осуществляется доступ жидких и газовых сред.

Коррозия, вызывающая растворение цементного камня, может протекать при отсутствии кислот, щелочей или их растворов, т. е. тех сред, внимание к которым традиционно повышено.

Индустриальные оборотные воды, применяемые для котельных и ТЭС, специальные «особо чистые» деминерализированные и мягкие воды могут привести в отдельных случаях к коррозионным повреждениям более значительным, чем, например, растворы, содержащие сульфаты или хлориды.

В соответствии с классификацией, принятой в нашей стране, этот вид коррозии принят как тип 1, называемый еще «выщелачиванием», так как при растворении в первую очередь удаляется известь Са(ОН)2.

Содержание газов в рабочей зоне не должно превышать нормируемых значений ПДК, поэтому эти величины являются часто основными количественными показателями, по которым ориентируются при оценке химического состава воздуха. В цехах, где имеются выделения агрессивных газов, должен выполняться систематический отбор проб с записью результатов анализа.

Жидкие агрессивные среды являются наиболее опасными для строительных конструкций. В производственных зданиях они попадают на стены, полы, колонны и др. элементы из оборудования при гидросмыве. Особенностью жидких сред является огромное разнообразие их как по составу, так и по степени коррозионного влияния на сталь, бетон, кирпич, асбестоцемент. Если в сооружениях и оборудовании имеется опасность контакта с жидкими агрессивными средами, то, как правило, конструкции изолируются антикоррозийными покрытиями, так как большинство из них рассчитаны на эксплуатацию только в газовоздушной среде.

Нарушение непроницаемости вторичной защиты конструкций, контактирующих с жидкими средами, является одной из главных причин снижения срока службы элементов зданий и сооружений.

Единой классификации агрессивных жидких сред не существует. Степень коррозионной опасности каждого вида определяется химическим составом, видом строительных материалов, интенсивностью воздействия, температурой.

Твёрдые среды внутри производственных зданий включают пыль и аэрозоли. Пыль является неотъемлемой частью многих технологических процессов, связанных с переработкой твёрдых продуктов.

Для оценки агрессивности важны не все твёрдые пылеобразные выделения, а только те, которые характеризуются хорошей растворимостью (свыше 2 г/л) и высокой гигроскопичностью. Именно такие твёрдые среды, оседая в виде пыли на горизонтальных элементах, будут переходить в жидкое состояние, если относительная влажность воздуха превышает «точку росы».

 

УМЕНЬШЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ АГРЕССИВНЫХ СРЕД

Снизить воздействие агрессивных сред можно уже на этапе разработки генеральных планов промышленных предприятий.

Например, при любой транспортировке возможны потери агрессивных продуктов, поэтому система канализации кислых, щелочных и токсичных сред должна иметь минимальную протяжённость, чтобы процессы нейтрализации и обезвреживания осуществлялись в тех зонах, где образуются эти продукты. В частности, очистка кислых стоков может быть не за сотни метров от производства, а приближена к цеху. Удачным решением является установка систем нейтрализации в самом производственном помещении. Для уменьшения протяжённостей коммуникаций используется блокирование цехов с агрессивными средами в одном здании. При этом уменьшается периметр наружных стен и покрытий, т. е тех элементов, которые при наличии агрессивных сред эксплуатируются в наиболее тяжёлых условиях .

Особое внимание на генеральных планах должно быть уделено складам кислот и щелочей, растворителей, токсичных продуктов. При отсутствии вертикальной планировки и защиты атмосферные осадки (попадая на площадки с такими продуктами) могут проникать в грунты или вместе с дождевыми стоками в обычную ливневую канализацию, которая не предусматривает какой-либо защиты от коррозии. Поэтому, если нет возможности разместить склады и сливно-наливные эстакады в здании или под навесом, атмосферные осадки с таких площадок должны направляться на нейтрализацию и очистку.

Здания и сооружения, попадающие в розу ветров с подветренной стороны, оказываются в зоне повышенной коррозионной опасности, что следует учитывать при защите наружных стен, кровельных покрытий и всех открытых конструкций. Поэтому на генеральном плане источники агрессивных сред следует размещать таким образом, чтобы в зоне розы ветров за ними не было строений, а когда это требование невыполнимо – обеспечивать их защиту от атмосферных воздействий с учётом влияния потенциального вреда.

 

ПЕРВИЧНАЯ ЗАЩИТА

Последние годы у специалистов, занимающихся вопросами защиты строительных конструкций, широкое распространение получили такие термины, как «первичная» и «вторичная» защита. При всей условности подобного деления, его рациональная суть в том, что мероприятия по обеспечению долговечности и химической стойкости необходимо начинать не с выбора защитных покрытий (лакокрасочных, мастичных, футеровочных и т. д.), а в первую очередь с разработки такой конструкции, которая обладала бы высокой долговечностью и надёжностью. Оптимальный вариант первичной защиты – конструкция, выполненная целиком из химически стойких материалов (нержавеющая сталь, слоистые пластики, полимербетоны и др.). При этом возможность первичной защиты для стальных и железобетонных конструкций значительно отличается.

Металлические конструкции из низкоуглеродистой стали не применяются в агрессивных средах без защитных покрытий.

Повышение срока службы за счёт выбора марок сталей может дать определённый эффект в условиях атмосферной коррозии и только при слабой степени агрессивных воздействий. С этой целью используют стали типа 10ХСНД, 15СНД и др. Они имеют повышенную коррозионную стойкость и в открытой атмосфере могут применяться без специальной защиты. В других условиях, например, в средне- и сильно агрессивной среде и внутри цехов, т. е. когда отсутствуют условия для образования защитной плёнки, эти стали не обладают преимуществом перед обычными. Длительность формирования защитной плёнки составляет 1,5 – 3 года, причём при наличии сернистого газа небольших концентраций процесс образования плёнки ускоряется.

Таким образом, для сталей выбор материала может дать эффект лишь в условиях слабой степени агрессивного воздействия среды.

В отличие от металлоконструкций, для которых состав обычной низкоуглеродистой стали незначительно влияет на скорость коррозии, свойства бетонов, имеющих даже одинаковую марку по прочности в условиях агрессивных сред, могут отличаться на порядок. Это позволяет более широко использовать методы повышения долговечности конструкций без применения какой-либо дополнительной обработки поверхности и изоляции от контакта со средой.

Наиболее важным из этих методов является повышение плотности бетона. Методы, с помощью которых возможно повысить плотность бетона, приведены в многочисленных нормативных документах и технической литературе и включают гранулометрический подбор заполнителей и свяжущих; минимальный расход воды при сохранении удобоукладываемости смеси; введение добавок; соблюдение технологии укладки, выбор режима твердения и т. д. При этом получение бетонов с требуемыми показателями водонепроницаемости, химической стойкости и морозостойкости в настоящее время уже практически невозможно без применения различного вида добавок.

Вид цемента. Основным вяжущим для конструкций промышленных зданий является портландцемент.

В конструкциях редко используются другие виды цементов, т. к. выпускаются они в ограниченном объёме. В это же время для жидких агрессивных сред, содержащих, например, сульфаты, применение сульфатостойких цементов позволяет значительно повысить химическую стойкость без выполнения какой-либо вторичной защиты.

Наиболее эффективно можно обеспечивать долговечность железобетонных конструкций путём разработки мероприятий, позволяющих их использовать без дополнительной защиты.

С этой целью повышают плотность, выбирают различные типы цементов, используют добавки (модифицируют бетоны), что значительно расширяет область применения конструкций в агрессивных средах. Что касается добавок, то, если их количество не превышает 1-2% от массы цемента, бетон считается цементным.

При содержании добавок 7-15% физико-механические свойства бетонов и растворов значительно отличаются. Такой материал называют полимерцементным бетоном (или раствором).

Кислотоупорный бетон получают путём перемешивания связующего (жидкого стекла) с инертными (песок, щебень, наполнитель). Процесс отверждения в таких бетонах осуществляется путём введения кремнефтористого натрия. Жидкие стекло и кремнефтористый натрий выполняют ту же функцию, что и цемент в строительных бетонах. Полимерсиликатбетон – это кислотоупорный бетон, модифицированный добавками (главным образом полимерными).

Применение добавок и подбор составов позволяет улучшить свойства бетона – плотность, прочность, водостойкость и морозостойкость. Благодаря этому при повышенной величине защитного слоя (30-45 мм) успешно эксплуатируются армированные конструкции и сооружения – ванны, резервуары, газоходы, опоры под оборудование. Наиболее распространённой добавкой является фуриловый спирт. Применяют также сульфанол, ХСПЭ, ГКЖ-10, парафины и др., количество которых не превышает 1-3% от массы жидкого стекла.

Наиболее эффективной первичной защитой, особенно в сильно агрессивных средах, являются конструкционные полимеры. Во многих средах они обладают более высокой химической стойкостью, чем нержавеющие стали, алюминий, титан. Прочностные свойства позволяют изготавливать из них технологическое оборудование и сооружения: вытяжные и домовые трубы, вентиляционные системы, газоходы, травильные и гальванические ванны, скубберы, фильтры и т. д.

Армированные термореактивные смолы (стекло и углепластики). В качестве связующего для этого типа конструкционных полимеров используются эпоксидные и фенольные, полиэфирные и другие типы смол. На отечественных предприятиях эпоксидные и полиэфирные нашли наиболее широкое применение. Как правило, связующее представляет двухкомпонентную систему, состоящую из смолы и отвердителя. С целью придания необходимых технологических и эксплуатационных свойств могут использоваться пигменты, красители, пластификаторы.

В качестве арматуры используются различные типы стекловолокнистых (или углеволокнистых) материалов. Тип армирующего материала и его количество зависят от вида изготовления стеклопластика и химической стойкости слоев, соприкасающихся с агрессивной средой.

 

ВТОРИЧНАЯ ЗАЩИТА (изоляция от окружающей среды)

Если первичная защита не обеспечивает долговечность и химическую стойкость строительных конструкций или же она не выгодна по технико-экономическим соображениям, то возникает необходимость в разработке вторичной защиты.

Наиболее распространённый вид защиты в промышленном строительстве, благодаря целому ряду достоинств – простота нанесения, как в заводских, так и в построечных условиях на поверхности различной конфигурации, возможность периодического возобновления, небольшая ( по сравнению с остальными видами защиты) трудоёмкость.

Вместе с тем лакокрасочные покрытия могут применяться лишь в условиях действия газовоздушной среды или слабо агрессивных жидких средах, так как ввиду ограниченной толщины не обеспечивают долговременную защиту.

Основой любого лакокрасочного покрытия составляет полимерная (органическая) плёнка ограниченной толщины – 150-300 мм.

Для бетонных (асбестоцементных, деревянных) поверхностей, кроме лакокрасочных покрытий, могут применяться и другие виды вторичной защиты, многие из которых не менее эффективны.

Одним из наиболее надёжных способов защиты в сильно агрессивных средах является нанесение бесшовных эластичных покрытий, близких по химической стойкости к резинам. В отличие от листовых резиновых покрытий (наносимых только на металлические конструкции и требующих последующей обработки паром или горячей водой (процесс вулканизации) эластомерами можно защищать в построечных условиях как бетон, так и сталь. Толщина покрытий составляет до 1-3 мм.

Для металлоконструкций одним из наиболее эффективных методов защиты является нанесение металлических покрытий, обладающих более высокой, чем углеродистая сталь, коррозионной стойкостью и сроком службы.

С этой целью в заводских условиях применяют горячее цинкование, алюминирование, цинк-алюминирование, металлизационные покрытия. На строительной площадке – металлизационные покрытия.

Для многих сильно агрессивных сред при защите элементов зданий, сооружений и технологического оборудования широко применяется футеровка (облицовка) штучными химическими материалами.

Отдельные недостатки такой защиты (материалоёмкость, значительные габариты) в полной мере компенсируются её надежностью. Поэтому специализированные организации, выполняющие работы по защите от коррозии в сильно агрессивных средах, до 90% всех объёмов нередко ведут с применением футеровки.

Развитие более прогрессивных видов первичной защиты – конструкционных полимеров и тонкослойных облицовок, как и специальных сталей, пока идёт довольно медленно и значительно отстаёт от потребностей предприятий. Поэтому ещё многие годы этот проверенный десятилетиями метод защиты будет находить широкое приминение в промышленных зданиях и сооружениях.

Конструкция футеровок может быть простой и комбинированной, однослойной и двух- (много) слойной.

Для футеровки используют кислотоупорный кирпич или плитку, фасонные изделия из керамики и химически стойких бетонов, углеграфитовые материалы, каменное литье, штакоситал и др.

Керамические изделия – наиболее распространены ввиду их стойкости к большинству кислот (кроме фторсодержащих).

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЩИТЫ НЕСУЩИХ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Считается, что 25-30% всех повреждений и аварий вызваны нарушением проектировщиками действующих нормативов.

Некоторые недоработки и дефекты проектной документации в части защиты от коррозии и обеспечения долговечности строительных конструкций могут выявляться ещё до начала строительства или в период возведения зданий и сооружений.

Процессы коррозии строительных конструкций протекают довольно длительно, порой до 10 и более лет, поэтому на снижении несущей способности они не могут отражаться сразу после начала эксплуатации. По истечении этого времени довольно сложно установить истинную причину снижения долговечности. Чаще всего всё списывается на эксплуатацию.

Между тем значительная часть дефектов проектной документации, касающейся разработки раздела «АЗ» (антикоррозийная защита), связана с недооценкой реальных условий работы строительных конструкций. При выборе состава агрессивных сред, зон воздействия, влажности, температуры воздуха и других параметров они принимаются из условий безаварийной работы. Считается, что качество строительных материалов и выполнение работ соответствуют СНиП.

Не исключены и решения диаметрально противоположные, когда защита необоснованно усилена и выполняется из условий постоянной аварийной ситуации. Экономические потери неизбежны во всех случаях. Поэтому задача проектирования – выбрать оптимальный вариант с учетом возможностей как строительных организации, так и последующей культуры эксплуатации именно того предприятия, долговечность и химическую стойкость которого необходимо обеспечить.

 

 

 
 
 
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Закрыть

У нас новый сайт!

Вся актуальная информация на новом сайте!

idsmedia.ru

Перейти