Высокопрочная арматурная сталь

Раздел: Учебники

Коррозия под напряжением или коррозионное растрескивание — особый вид разрушений металлов и сплавов, 'Происходящий при совместном действии на металл растягивающих напряжений (внешних и внутренних) и специфических агрессивных сред. Коррозионное растрескивание сталей является весьма опасным видом повреждений деталей и оборудования в химической, газо-нефтс- добывающей и перерабатывающей, металлургической, энергетической, судостроительной и других отраслях промышленности. При развитии этого процесса наблюдается обычно хрупкое разрушение металла без заметной пластической деформации. Коррозионное растрескивание сталей различного химического состава, структуры и прочности может протекать в щелочных, нитратных и хлоридных растворах, в растворах, содержащих сероводород, аммиак, цианистый водород, двуокись углерода и хлорное железо, в водных растворах HN03, в тонких пленках влаги, особенно в присутствии окислителя. Еще далеко не исчерпан список сред, способных вызывать коррозию под напряжением металлов и сплавов.

Явление коррозионного растрескивания под напряжением не ново. Уже во время первой мировой войны случаи массового разрушения латунных боеприпасов по причине коррозионного растрескивания приносили ощутимый материальный и военный ущерб. С коррозионным растрескиванием стали на практике впервые столкнулись в клепаных паровых котлах. В нефтяной и газовой промышленности коррозии под напряжением подвержены трубы, пружины предохранительных клапанов и другое оборудование. Известны случаи коррозионного растрескивания сельскохозяйственных цистерн для хранения и перевозки аммиака, сварных соединений из углеродистых сталей на газоочистительных установках при воздействии конденсата, содержащего аммиак, сернистый аммоний и цианид, а также стальных конструкций в контакте с нитратами в процессе производства удобрений (Г. Л. Шварц, М. М. Кристаль).

На предприятиях «Ди-понт компани» в США доля повреждений оборудования вследствие коррозии под напряжением по данным двухгодичных обследований составила 21,6%. В частности, в 1969 г. после четырех лет работы разрушилась паровая турбина «Хинклэй иойнт А № 5».

Озабоченность в отношении развития явления коррозии под напряжением проявляют и строители в связи с производством и эксплуатацией предварительно напряженных железобетонных конструкций. При оценке возможности протекания такого процесса в преднапряженном бетоне нужно в первую очередь исходить из того, что в большинстве случаев применяют преднапря- женные конструкции третьей категории трещиностойкости, допускающие определенное раскрытие трещин. Следовательно, через микротрещины, поры и капилляры защитного слоя бетона к напряженной арматуре могут проникать агрессивные жидкие и газообразные среды, способные вызывать ее коррозионное растрескивание. Действительно, прямыми опытами на натурных балочных железобетонных напряженных образцах в кипящих нитратах И. Г. Хаит * показал развитие в них коррозионного растрескивания термоупрочнеиной арматуры, а в обнаружили растрескивание арматуры из мягкой стали даже при концентрации нитрата кальция менее 0,1%. Достижение такой концентрации в локальных участках напряженной арматуры в процессе эксплуатации в промышленных районах, не говоря уже о работе непосредственно на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, коксохимической, металлургической и других отраслей промышленности с химическими вредностями, вполне возможно. Поэтому не вызывает удивления, что уже в начале 50-х годов, когда стал интенсивно применяться предварительно напряженный железобетон, в зарубежной литературе стали время от времени появляться публикации о случаях обрушений и аварий, вызванных внезапным обрывом напряженной арматуры.

Так, в 1951 году в Голландии наблюдали хрупкие обрывы стальной проволоки вскоре после натяжения по причине коррозионного растрескивания, вызванного хранением бунтов в атмосфере, зараженной сульфатами, или при попадании на них во время хранения грунтовой воды, содержащей значительное количество хлор и нитрат-ионов. В ФРГ при строительстве моста произошел обрыв упрочненных проволок вскоре после натяжения в связи с тем, что во время складирования в мотках из-за коррозионного растрескивания образовались трещины глубиной до 7з диаметра проволоки.

Имели место случаи коррозионного разрушения преднапряжен- ных конструкций в Бельгии, Бразилии, Франции, Канаде, Северной Африке и ФРГ.

В мае 1980 г. из-за коррозии напряженной арматуры консольного участка покрытия произошло обрушение западноберлинского «Конгресс-халле».

Работы большинства исследователей и анализ случаев обрушения конструкций, обсужденных на специальных симпозиумах ФИП (международной федерации по предварительно напряженному железобетону) в 1972 и 1974 гг., показывают, что наибольшую склонность к коррозии под напряжением обнаруживают высокопрочные материалы, в частности термически упрочненные арматурные стали и высокопрочная проволока.

С. И. Алексеев'  указывает на особо высокую склонность к коррозионному растрескиванию термически упрочненной арматуры сталей марок Ст5 и 35ГС. В табл. 74 приведены данные о случаях коррозионных обрушений предварительно напряженных конструкций в отечественной практике, проанализированных С. И. Алексеевым и Г. М. Красовской. Видно, что большинство зарегистрированных отказов относится к конструкциям,, армированным термоупрочненной арматурой из стали 35ГС. Однако, в двух случаях из семи (28%) выходили из строя и конструкции, армированные свариваемой горячекатаной сталью повышенной прочности марки 20ХГ2Ц бейнитного класса.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что применение арматуры, склонной к коррозионному растрескиванию, особенно лри недостаточной защите ее бетоном, в присутствии агрессивных сред может приводить к снижению надежности и долговечности предварительно напряженных железобетонных конструкций. Опасность развития этого явления усугубляется тем, что разрушение конструкции может произойти внезапно без каких-либо предварительных признаков, которые бы сигнализировали о возникновении состояния предразрушения. Поэтому нормативные документы запрещают применять в агрессивных средах наиболее рас- .пространенные предварительно напряженные конструкции третьей категории трещиностойкости, армированные высокопрочной арматурой классов А—V, Ат—V и А—VI, Ат—VI, лишь допуская к применению в слабоагрессивной среде более дорогие конструкции второй категории трещийостойкости при ограничении раскрытия трещин в бетон до 0,1 (класс А—V, Ат—V) и 0,05 мм (класс А—VI, Ат—VI). Это обусловливает необходимость поиска технических решений, направленных на повышение стойкости против коррозионного растрескивания высокопрочных арматурных сталей для гарантии долговечности эксплуатации предварительно напряженных железобетонных конструкций и расширения областей применения (в целях экономии металла) высокопрочных армирующих материалов с точки зрения обеспечения возможности их применения в предварительно напряженных конструкциях, работающих в условиях агрессивных сред.