Коррозионный износ и несущая способность стальных элементов: как учитывают потерю сечения

Что коррозия делает с элементом

Коррозия действует двумя путями. Первый очевиден: сечение тончает, и в оставшемся металле напряжения при той же нагрузке растут. Второй менее заметен: в статически неопределимой конструкции элементы теряют жёсткость по-разному, и усилия перераспределяются на те, что сохранились лучше. Поэтому проверка одного поражённого элемента отдельно может недооценить нагрузку на соседний.

Тонкое сечение от того же утонения теряет большую долю площади, чем толстое. Именно поэтому уголки, швеллеры и тонкие листы в сырых местах выходят из строя раньше массивных профилей.

Слой ржавчины несущей способности не имеет. В расчёт входит только оставшийся металл, измеренный после зачистки до чистой поверхности.

Виды коррозионного повреждения

В производственных сооружениях преобладает электрохимическая коррозия с участием влаги. Её делят на общую, равномерную или неравномерную по поверхности, и местную: пятна, язвы, точечные поражения, сквозные проникновения. Местная коррозия возникает там, где воздействие локальное: течёт кровля, неплотный трубопровод, элемент постоянно увлажняется в месте контакта с мокрой кладкой или бетоном.

Как потерю сечения вводят в расчёт

Сначала измеряют остаточную толщину металла, а не ржавого слоя: после зачистки до чистого металла, в нескольких точках по длине и по периметру, с фиксацией худших зон. Разница между начальной толщиной (по чертежу или сортаменту) и измеренной и есть утонение.

Дальше уменьшают геометрические характеристики сечения: площадь, момент инерции, момент сопротивления. Каждую поверхность, контактирующую со средой, уменьшают на глубину проникновения коррозии. Для закрытого профиля с поражением с одной стороны эта глубина равна утонению. Для открытого профиля (двутавр, швеллер, уголок), который корродирует с обеих сторон, на каждую поверхность приходится половина измеренного утонения.

Сколько процентов сечения это забирает, зависит от того, сколько металла приходится на единицу периметра, контактирующего со средой. Чем тоньше стенка и чем больше открытых поверхностей, тем быстрее растёт потеря. Поэтому одинаковая глубина коррозии по-разному бьёт по уголку, швеллеру, двутавру и трубе. Формулы для каждой формы применяет проектировщик по действующей методике поверочных расчётов.

Питтинг учитывают отдельно. Коэффициент питтингообразования зависит от глубины поражений и от того, насколько густо они расположены. Сталь для расчёта поражённых элементов характеризуют по испытаниям, а не только по паспорту.

Затем проверяют обе группы предельных состояний: прочность и устойчивость при расчётных нагрузках, а также прогибы и перемещения, потому что жёсткость тоже упала. В статически неопределимых системах пересчитывают всю схему, а не один стержень, ведь ослабленный элемент отдаёт часть усилия соседним. Сквозные поражения и вырезы считают как ослабление по площади нетто, но сквозную коррозию как допустимую в расчёт не вводят: её устраняют.

Если условия прочности, устойчивости или жёсткости не выполняются, ослабление считают коррозионным повреждением, и конструкцию усиливают. Расчёт усиления ведут уже с остаточным сечением. Общая логика поверочного расчёта разобрана в статье Оценка технического состояния стальных конструкций.

Когда элемент усиливают, а когда меняют

Единого предела для всех элементов нет. Решение зависит от того, какой это элемент, сколько сечения потеряно, где именно (в наиболее напряжённой зоне или нет), в каком состоянии остальная часть элемента, можно ли добраться до зоны и что показывает пересчёт с усилением.

Есть ориентир из ремонта крановых металлоконструкций: элемент, потерявший из-за коррозии более 5 % площади сечения в стержневых системах или более 10 % в балочных, считают непригодным к ремонту и заменяют. Это узкоспециальный критерий для грузоподъёмных кранов. На строительные конструкции и опоры его переносят только с обоснованием разработчика проекта.

Усиление рассматривают, когда потеря локальна, остальная часть элемента здорова, к зоне есть доступ, а пересчёт с усилением выходит. Колонны ремонтируют при существенном коррозионном износе или значительных местных повреждениях и обычно делают это под нагрузкой, потому что разгрузить их сложно. Замену применяют тогда, когда усилить невозможно, и обычно повторяют ранее существовавшее конструктивное решение.

Металл усиления не может уступать имеющемуся по механическим свойствам, вязкости и свариваемости, а в агрессивной среде его коррозионная стойкость не ниже стойкости существующего. Если конструкцию раньше не сваривали и данных о свариваемости нет, сначала оценивают свариваемость (см. уточнение характеристик стали).

Зачистка от ржавчины сама способна окончательно ослабить сильно поражённый элемент. Поэтому под такие элементы на время очистки ставят временные опоры. Для металлических опор похожие решения разобраны в статье Износ и коррозия металлических опор.

Усиление не должно создавать новых очагов коррозии

Накладки и ламели в поражённых зонах легко образуют щели и замкнутые полости, где влага остаётся. Поэтому усиление проектируют так, чтобы ко всем поверхностям можно было добраться для защиты, а щели герметизируют. В местах обрыва элементов усиления не допускают резких концентраций напряжений, а швы не скучивают.

Швы на элементах усиления делают сплошными. Прерывистые (шпоночные) швы допустимы только в статически нагруженных конструкциях в неагрессивной среде, а при динамических нагрузках их не применяют.

Если поражение вызвали не влага, а удары транспорта или тепловое излучение от оборудования, в проекте усиления предусматривают защитные облицовки и ограждения, иначе повреждение повторится.

Защита после ремонта: краска и цинк

Без защиты усиление теряет смысл: механизм, съевший металл, начнёт работать снова. Систему защиты выбирают по агрессивности среды и доступности поверхностей. Лакокрасочное покрытие остаётся самым коротким звеном защиты каркаса: его обновляют заметно чаще, чем меняют сам металл.

Для новых элементов, которые изготавливают на заводе, одним из вариантов является горячее цинкование. Как работает цинк и сколько служит покрытие, разобрано в статьях Срок службы горячего цинкования и Проектирование под горячее цинкование. Цинкуют элемент в ванне целиком, поэтому для уже смонтированной конструкции это означает демонтаж. На месте её защищают красочной системой, а участки сварки деталей усиления, привариваемых на объекте, защищают отдельно.

Что мы можем сделать

Измерение остаточной толщины и оценку состояния элементов выполняет техническое обследование. Компания ПОЛИГОНАЛЬ разрабатывает чертежи КМ и КМД для усиления или замены (проектирование), изготавливает элементы по чертежам заказчика (изготовление), выполняет горячее цинкование и порошковую окраску. Монтаж на объекте выполняет партнёрская строительная компания.

Нормативы и действительность

Оценка коррозионного износа входит в техническое обследование по действующему порядку и Методике проведения обследования и оформления его результатов (утверждена приказом от 06.08.2022 № 144) и ДСТУ 9273:2024. Расчёт поражённых элементов выполняют по ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» и ДБН В.1.2-14:2018 «Общие принципы обеспечения надёжности и конструктивной безопасности зданий и сооружений» (оба с Изменениями № 1).

Классификацию агрессивности среды и требования к системам защиты от коррозии устанавливают отдельные действующие нормативы: их названия и редакции проектировщик подтверждает перед проектом. Ориентиры, приведённые в статье (размеры язв и питтинга, процент потери сечения для крановых конструкций), носят справочный характер и не заменяют решение разработчика проекта. Действительность и действующая редакция всех упомянутых документов требуют проверки.