Niebezpieczeństwo korozji i naturalnego starzenia elementów konstrukcji

Transkrypt

1 GLINICKA Aniela1 SAWCZUK Franciszek 2 Niebezpieczeństwo korozji i naturalnego starzenia elementów konstrukcji WSTĘP Korozja i naturalne starzenie wpływa na ograniczenia aplikacyjne elementów konstrukcyjnych. Są to procesy postępujące w czasie i są one związane z obniżeniem trwałości konstrukcji inżynierskich. Szczególnie korozja jest zjawiskiem niepożądanym i niebezpiecznym. Materiały i elementy konstrukcji zabezpiecza się w różnorodny sposób przed negatywnym jej wpływem. Jednak nawet wówczas, mogą zaistnieć takie okoliczności w środowisku, że elementy z zabezpieczeniem antykorozyjnym ulegną korozji. Okoliczności takie mogą wynikać z nieprzewidzianego (awaryjnego) lub długotrwałego działania agresywnego medium na elementy. Wpływają na to zarówno oszczędności materiałowej jak i braki napraw oraz zbyt długie okresy między kolejnymi kontrolami technicznymi w czasie eksploatacji konstrukcji. Konstrukcja z defektami korozyjnymi jest odmienna od konstrukcji nieskorodowanej; na fotografii 1 przykładowo zilustrowano rurę stalową nieskorodowaną i skorodowaną. Na skutek korozji zmienia się nośność, odkształcalność i często kruchość elementów konstrukcji. Fot. 1. Widok nieskorodowanej i skorodowanej rury stalowej Celem niniejszego artykułu jest wykazanie wpływu korozji i starzenia naturalnego wybranych elementów konstrukcji stalowych na obniżenie bezpieczeństwa pracy degradującej się konstrukcji. Starzenie konstrukcji inżynierskich może być naturalne i przyspieszone. Starzenie naturalne zachodzi w czasie eksploatacji konstrukcji inżynierskich w sposób bardzo powolny, to znaczy w czasie kilkudziesięciu lat. Natomiast przyspieszone starzenie zachodzi na skutek intensyfikacji czynników oddziaływujących na konstrukcje, na przykład przez podwyższenie temperatury (do około 250 C), cykliczne zmiany temperatury, odkształcenia plastyczne, oddziaływanie środowisk agresywnych [1, 2]. W efekcie końcowym tych procesów wytwarza się taka sytuacja, że 1 2 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej; Warszawa ul. Armii Ludowej 16. Tel.: , a.glinicka@il.pw.edu.pl Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej; Warszawa ul. Armii Ludowej 16, Tel

2 bezpieczeństwo pracy konstrukcji będącej w eksploatacji zostaje obniżone. Zatem konieczna jest naprawa konstrukcji i często jej modernizacja (wzmocnienie). W opracowaniu wyjaśniono jak zmieniają się wybrane parametry mechaniczne stali, takie jak granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i odkształcalność, na skutek oddziaływania środowiska agresywnego oraz w procesie naturalnego starzenia. Przedstawiono badania próbek ze stali konstrukcyjnej poddanych przyspieszonemu procesowi korozji oraz elementów konstrukcji tj. kształtowników stalowych poddanych naturalnemu starzeniu. Podano jakie niekorzystne efekty starzenia wystąpiły w tych badaniach oraz przestawiono dyskusję wyników badań. 1. PRZYKŁADOWE NIEKORZYSTNE EFEKTY KOROZJI Korozja, powodująca zniszczenie materiałów i elementów, niekorzystnie wpływa na bezpieczeństwo pracy całej konstrukcji niezależnie od tego czy zachodzi ona w warunkach naturalnych, czy w warunkach laboratoryjnych. Intensyfikacja środowiska agresywnego, co dopuszczają przepisy normowe, jest wykonywana po to, aby w krótszym czasie, niż w warunkach naturalnych, spowodować zniszczenie elementu i ocenić jego skutki. W niniejszym rozdziale przedstawiono niekorzystne wybrane efekty uzyskane po korozji przyspieszonej próbek. Proces korozji stali niestopowej przeprowadzono w laboratorium w kwasie solnym. Celem badań była ocena wpływu korozji na cechy mechaniczne stali brane pod uwagę przy wymiarowaniu konstrukcji. Badaniom doświadczalnym poddano próbki wykonane ze stali niestopowej gatunku S235JR [3]. Próbki ucięto z rur stalowych o średnicy zewnętrznej 20 mm i grubości ścianki 2 mm. Wykonano 30 próbek o długości 30 mm oraz 6 próbek o długości 158 mm. Przygotowane próbki dokładnie zmierzono i zważono. Próbki o długości 30 mm podzielono na 5 grup po 6 sztuk. Pierwszą grupę stanowiły próbki, które nie były poddane procesowi korozji; przygotowano je w celu porównania wyników badań. Kolejne grupy próbek poddano procesowi korozji w 5% roztworze wodnym kwasu solnego. Korozja w laboratorium zachodziła przez okres 59 dób; tj godzin. Określono zmiany, jakie spowodowała korozja na próbkach po czasie od 30 dób do 59 dób. Przyjęto równe kroki czasowe, tzn. po 30 dobach, po 37 dobach, po 44 dobach, po 52 dobach i po 59 dobach korodowania. Każdorazowo po zakończeniu procesu korozji próbki wysuszono, zmierzono i zważono. Podobnie, próbki o długości 158 mm podzielono na 2 grupy. Próbki pierwszej grupy nie były korodowane. Próbki drugiej grupy umieszczono na 38 dób w 5% HCl. Po wyjęciu z roztworu kwasu próbki zostały wysuszone, zmierzone i zważone. Przeanalizowano, w przypadku próbek krótszych, wpływ umieszczenia tych próbek w środowisku agresywnym na ubytek masy. Po badaniach korozyjnych przeprowadzono badania mechaniczne. Krótkie próbki stalowe, zarówno skorodowane jak i nieskorodowane, poddano próbie ściskania w maszynie wytrzymałościowej Instron 3382 rejestrując ścieżki równowagi statycznej P-u (siła ściskająca przemieszczenie pionowe). Określono też granicę plastyczności stali R e przy ściskaniu badanych próbek. W dalszym ciągu przedstawiono analizę wyników wykonanych badań doświadczalnych. Przeprowadzony proces korozji określono jako równomierny poprzez obserwację nieuzbrojonym okiem; stwierdzono brak wżerów, szczelin i rozwarstwień materiału. Stwierdzono, że proces korozji spowodował ubytek masy badanych próbek. Granicę plastyczności R e określono jako: iloraz siły P e do pola przekroju początkowego próbki A o oraz jako iloraz tej samej siły P e do pola przekroju próbki skorodowanej A. Wartości średnie P e i R e wyznaczono na podstawie pomiarów pochodzących z 6 próbek w danym kroku czasowym korodowania; rysunki 2 i 3. Należy tu nadmienić, że projektant zna wartość pola przekroju A o. Określenie pola rzeczywistego A, będącego w eksploatacji elementu konstrukcji jest bardzo trudne oraz często niemożliwe. W podsumowaniu badań korozyjnych i mechanicznych przeprowadzonych na próbkach ze stali niestopowej w przyspieszonym procesie korozji stwierdzono, co następuje: 349

3 1. Proces korozji spowodował ubytek masy badanych próbek o około 20%, szczegółowy opis znajduje się w pracy [3], a więc doprowadził do zmniejszenia pola przekroju poprzecznego próbek, co daje mniejszą nośność elementu skorodowanego w porównaniu z nieskorodowanym. 2. W ogólności ubytki materiału elementu są przyczyną nie tylko zmniejszenia grubości ścianek, ale też mogą powodować szczeliny, luzy i nieszczelności tak jak w wypadku konstrukcji inżynierskiej opisanej w pracy [4]. 3. Siła na granicy P e zmierzona na próbkach przez maszynę wytrzymałościową po kolejnych krokach czasowych korodowania była lekko malejąca. 4. Granica plastyczności R e wyznaczona przy początkowym polu przekroju poprzecznego jest mniejsza od granicy plastyczności R e wyznaczonej przy rzeczywistym polu przekroju skorodowanego pręta, a więc wszystkie inne charakterystyczne wartości naprężenia np. granica sprężystości R s i wytrzymałość na rozciąganie R m też są mniejsze. 5. Wyznaczone wartości naprężenia na granicy plastyczności R e bardzo niewiele zmieniły się po kolejnych krokach czasowych korodowania próbek; jest to zjawisko korzystne z punktu widzenia projektanta, bo można przyjąć niezmienioną przez korozję wartość R e dla stali. siła [kn] 30,00 29,00 28,00 27,00 26,00 25,00 24,00 23,00 22,00 21,00 20,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 czas [doby] Rys. 2. Wykres zależności siła na granicy plastyczności czas korodowania Rys. 3. Wykres zależności naprężenie na granicy plastyczności stali - czas korodowania 350

4 W ogólności proces korozji, który określono jako równomierny, doprowadził do bardzo niewielkiej zmiany wartości granicy plastyczności po czasie 59 dób korodowania ale doprowadził do istotnego zmniejszenia się pola przekroju poprzecznego. W obliczeniach, które prowadzi się na potrzeby eksperckie dla skorodowanych elementów konstrukcji, a więc przy sprawdzaniu nośności i wyznaczaniu maksymalnych ugięć, należy efekty te brać pod uwagę. Zatem potrzebne są odpowiednie współczynniki częściowego bezpieczeństwa dla korodujących elementów konstrukcji, co zapewni ich bezpieczną pracę. Nie można bez szczegółowych dalszych badań twierdzić, że korozja próbek stalowych w roztworze wodnym 5% HCl zachodząca w czasie dłuższym niż 59 dób, np. w czasie trzech do sześciu miesięcy, przyniesie takie same skutki. 2. PRZYKŁADOWE NIEKORZYSTNE EFEKTY NATURALNEGO STARZENIA W niniejszym rozdziale przedstawiono niekorzystne wybrane efekty starzenia naturalnego stali konstrukcyjnej. Dokładna ocena stanu materiału (stali eksploatowanych od kilkudziesięciu lat) obliguje inwestora do przeprowadzenia pełnego zakresu badań laboratoryjnych, co stwarza poważne problemy z uwagi na potrzebę wycięcia z konstrukcji dużej ilości stali, która umożliwiłaby wykonanie pełnowymiarowych próbek normatywnych. Fakt ten nastręcza trudności ze względu na duże koszty oraz niebezpieczeństwo znacznego osłabienia przekrojów elementów, niekiedy mocno wytężonych. Zachodzi potrzeba posługiwania się takimi skróconymi metodami badawczymi, które byłyby możliwe w zakresie badań nieniszczących lub przy wykorzystaniu próbek z materiału badawczego o bardzo niewielkich wymiarach. Na tej podstawie można oszacować liczbowe wartości cech mechanicznych stali takich jak granica plastyczności R e i wytrzymałość na rozciąganie R m. Przeprowadzono badania na kilku starych obiektach. Metodologię badań zawiera praca [5]. W ramach pracy wykonano w laboratorium próby wytrzymałościowe, na podstawie których określono: 1. granicę plastyczności f y (R e ) [MPa], wytrzymałość na rozciąganie f u (R m ) [MPa], wydłużenie jednostkowe A 5 [%] (ocena plastyczności); 2. analizę chemiczną metodą na mokro oraz przy pomocy spektrolabu stacjonarnego. Uzyskane wyniki z prób zrywania dla dziesięciu obiektów opracowano statystycznie; wyniki prób zinterpretowano graficznie na rysunku 4. Próbki płaskie, wycięte z półek kształtowników, obrobiono na frezarce i poddano próbie zrywania. Przy opracowaniu wyników posłużono się następującymi wielkościami losowymi: wartość średnia badanej cechy (1) gdzie: R e to wartości granicy plastyczności badanych próbek, wartość odchylenia standardowego S Re w próbie (2) współczynnik zmienności w próbie (3) 351

5 Rys. 4. Wartości średnie i jednostkowe R e i R m oraz procentowa zawartość węgla C w stali naturalnie starzonej W literaturze można spotkać ocenę wytrzymałości na podstawie zawartości węgla C. Węgiel jest podstawowym składnikiem decydującym o mikrostrukturze i własnościach mechanicznych stali. Wraz ze wzrostem zawartości węgla od 0,0 do 0,8% następuje wzrost wytrzymałości na rozciąganie o 500 MPa. Przyjmując liniową zależność można określić orientacyjną wytrzymałość na rozciąganie stali węglowych w zależności od zawartości węgla z prostego wzoru [MPa] (4) Zamieszczone na rysunku 5 wyniki przedstawiają zależności cech wytrzymałościowych od zawartości węgla C oraz pokazują na duże różnice w odchyleniu standardowym granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie. Widoczny jest wpływ zawartości węgla na cechy mechaniczne i może to sugerować znaczny wpływ postępujących procesów starzenia naturalnego. W podsumowaniu badań starzenia naturalnego należy stwierdzić, że ich wyniki wskazują na to, że stale, które uległy starzeniu charakteryzują się niską zawartością węgla, co jest związane ze spadkiem wartości cech wytrzymałościowych. Należy tu nadmienić, że bezpośrednia ocena wpływu węgla na zjawisko starzenia jest zagadnieniem złożonym i niekiedy nastręczającym wiele trudności. 352

6 Rys. 5. Granica plastyczności R e i wytrzymałość na rozciąganie R m oraz skład chemiczny naturalnie starzonej stali konstrukcyjnej WNIOSKI Na podstawie badań korozyjnych próbek ze stali konstrukcyjnej przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych w czasie 59 dób stwierdzono, że proces korozji, doprowadził do bardzo niewielkiej zmiany wartości granicy plastyczności po czasie 59 dób korodowania oraz doprowadził do istotnego zmniejszenia się pola przekroju poprzecznego próbek. Zatem nośność elementu skorodowanego w porównaniu z nieskorodowanym będzie mniejsza i ubytki materiału mogą spowodować szczeliny, luzy i nieszczelności. Na podstawie badań naturalnego starzenia próbek z elementów stalowych eksploatowanych przez wiele dziesiątków lat stwierdzono, że stale, które uległy starzeniu charakteryzują się niską zawartością węgla, co jest związane ze spadkiem wartości granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie. Łącząc ze sobą powyższe dwa wnioski trzeba stwierdzić, że najbardziej niebezpieczne jest korodowanie starej konstrukcji stalowej, ponieważ niekorzystne wyniki efektów korozyjnych 353

7 i starzeniowych zsumują się. Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie zmniejszą się i wystąpią ubytki masy elementów, co bardzo zagrozi ogólnemu bezpieczeństwu pracy całej konstrukcji. Wyniki badań laboratoryjnych mogą być przenoszone na rzeczywistą konstrukcję. Streszczenie Celem pracy jest wykazanie wpływu korozji i starzenia naturalnego elementów konstrukcji stalowych na bezpieczeństwo pracy konstrukcji. W pracy przedstawiono wyniki testów próbek, wykonane w laboratorium, obejmujące 2 rodzaje badań: 1. przyspieszonego procesu korozji i 2. naturalnego starzenia. W rezultacie powyższego badania 1 i badania 2 stwierdzono szkodliwy wpływ tych procesów na konstrukcję. Jeśli zajdzie korozja starej eksploatowanej konstrukcji stalowej, będzie to najbardziej niebezpieczna sytuacja jaka może zaistnieć, ponieważ niekorzystne wyniki testów 1 i 2 zsumują się. Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie będą zmniejszone i powstaną ubytki materiałowe, co jest bardzo niebezpieczne. Wyniki badań laboratoryjnych mogą być przenoszone na rzeczywistą konstrukcję. The danger of the corrosion and the natural ageing of elements of the construction Abstract For purposes of the work is the proof of the influence of the corrosion and the ageing of elements of steel structures on the work safety of such constructions. In the work one presented results of tests of samples steel structural carried out in the laboratory: 1. subjects to the accelerated process of the corrosion and 2. subjects to the natural ageing. As a result research 1 and research 2 one found adverse effect for the construction. If will follow the corrosion of the old steel structure, is disadvantageous results of tests 1 and 2 totalize themselves. The plastic limit and the tensile strength will be reduced and will arise losses of material. This is very dangerous. The results of laboratory-tests can be carried on the real construction. BIBLIOGRAFIA 6. Baszkiewicz J., Kamiński M.: Korozja materiałów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Buczkowski W. (red.): Budownictwo ogólne. Tom 4. Arkady, Warszawa Glinicka A., Kruk M.: Wpływ korozji na właściwości mechaniczne stali niestopowej. Theoretical Foundations of Civil Engineering. Polish - Ukrainian - Lithuanian Transactions 16, OW PW, Warsaw, s , June Glinicka A., Wasilewska K.: Korozja magistrali wodociągowej. Przegląd komunalny. 2(233)2011, s Sawczuk F.: Ocena właściwości wytrzymałościowych i technologicznych stali w konstrukcjach budowlanych eksploatowanych od ponad 80-ciu lat. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej, Warszawa