Доклад «Национального Исследовательского Технологического Университета «Московский Институт Стали и Сплавов»

Доклад «Национального Исследовательского Технологического Университета «Московский Институт Стали и Сплавов»

1. «Исследование коррозионной стойкости навесных фасадных систем в условиях реальной эксплуатации в различных климатических зонах»

 2. Исследования проводятся на кафедре Металлургии и защиты металлов под руководством проф., д.т.н., лауреата государственной премии РФ в области науки и технологии Дуба Алексея Владимировича .

Лаборатории коррозионных исследований и экспертиз.

 3.Для проведения исследований НИТУ «МИСиС» располагает штатом высококвалифицированных специалистов в области материаловедения, коррозии и  прочности и самым современным оборудованием.

 В распоряжении нашей лаборатории имеется следующее оборудование:

 - Камеры для проведения коррозионных испытаний (влажности, сернистого газа, соляного тумана, климатическая);

- Система Кортест для испытаний на коррозионную усталость при одновременном воздействии переменных нагрузок и коррозионно-агрессивной среды;

- Оборудование для определения качества материалов, их устойчивости к воздействию коррозионных сред, оценки долговечности;

- Металлографический комплекс;

- Потенциостатический комплекс (для сравнительной оценки коррозионной стойкости покрытий и материалов в заданных средах.)

 4. Одним из направлений наших исследований является оценка коррозионной стойкости и долговечности строительных металлоконструкций.

В настоящее время по заказу МИНСТРОЯ на кафедре проводится научно-исследовательская работа:

«Исследование навесных фасадных систем с определением фактической безопасной эксплуатации»

Задачей данной работы является: создание базы данных по степени коррозионного износа и остаточного ресурса конструкций навесных фасадных систем (НФС) с определением срока фактической безопасной эксплуатации в различных климатических зонах в слабо-, средне- и сильноагрессивных средах в соответствии с СП 28.13330.2012 "СНиП 2.03.11-85 "Защита строительных конструкций от коррозии".

В результате исследований будет проведена верификация расчетной методики долговечности металлоконструкций НФС с фактическими данными.

Полученные результаты исследований будут использованы при разработке свода правил СП «Конструкции фасадные навесные вентилируемые. Правила проектирования», а также в разработке нормативных документов, устанавливающих требования к эксплуатации НФС.

 5. Одной из основных причин сокращения сроков службы является проблема коррозионного разрушения элементов и узлов металлоконструкции.

Отличительной особенностью навесных фасадных систем является то, что детали несущих конструкций, на которые действует постоянная нагрузка от веса облицовки, находятся внутри утеплителя в зоне конденсации с доступом воздуха, но без эффективной вентиляции, что в процессе эксплуатации может значительно ускорить коррозионные процессы в металлах, которые протекают вне зависимости от агрессивности наружной среды.

6. Перейдем непосредственно к результатам исследований, полученных на данном этапе.

При проведении исследований были отобраны детали несущих конструкций НФС изготовлены из:

- Коррозионностойких сталей аустенитного и ферритного классов;

- Углеродистых сталей с дополнительными антикоррозионными цинковым и лакокрасочным покрытиями;

- Алюминиевых сплавов

В городах, расположенных в различных климатических зонах:

1. Калининграде

2. Москве

3. Санкт-Петербурге

4. Уфе

5. Екатеринбурге

6. Владивостоке

При поддержке департаментов строительства этих городов. Отбор образцов проводился с объектов, находящихся в эксплуатации более 7 лет, по актам в присутствии владельцев зданий. 

7. Коррозионностойкие стали:

В несущих конструкциях применяются хромоникелевые (Х18Н9) стали аустенитного класса, которые  обладают высокой коррозионной стойкостью за счет входящего в их состав хрома, способного образовывать на поверхности пассивную пленку.

Оценка состояния демонтированных деталей после 10  лет эксплуатации в г. Москве показала, что на их поверхностях выявлено незначительное потускнение и локальные  следы ржавчины.

При металлографическом исследовании состояния поверхностных слоев материала коррозионных повреждений не зафиксировано.

Таким образом, для оценки долговечности аустенитных сталей взяты детали после эксплуатации в промышленной среде. Скорость коррозии сталей мала и составляет не более 0,1 мкм/год, что гарантирует длительный срок эксплуатации несущих конструкций.

Кроме аустенитных сталей в несущих конструкциях применяются хромистые стали ферритного класса AISI 430 (Х17). 

Детали, изготовленные из ферритных сталей, демонтированные в г. Владивосток после 8 лет эксплуатации.

При визуальном  осмотре деталей на их поверхностях выявлены множественные пятна ржавчины с объемными продуктами коррозии стали. При исследовании шлифов в зонах повреждений глубина отдельных язв составляет не более 10 мкм, что составляет  не более 5% сечения профиля.

Следовательно, характерным признаком для сталей Х17 в приморских средах с повышенным содержанием хлоридов является склонность к питтинговой коррозии, что связано с местным нарушением пассивности металла в результате воздействия хлоридов.

Таким образом, для оценки долговечности ферритных сталей взяты детали после эксплуатации в приморских средах, где они склонны к локальной питтинговой коррозии. Глубина питтингов незначительна и составляет не более 10 мкм. Развитие повреждений вглубь не происходит из-за репассивации поверхности питтингов и образования новых повреждений. Хромистые стали ферритного класса могут быть рекомендованы для длительной эксплуатации. Однако, в процессе эксплуатации несущие конструкции будут покрыты слоем ржавчины, что ухудшит внешний вид системы. Поэтому в приморских средах может быть рекомендовано применение сталей с дополнительным полимерным покрытием.

Коррозион стали.JPG

8. Оцинкованные стали

Кронштейны изготовленные из оцинкованных сталей демонтированы с объектов, расположенных в г. Москве и г. Владивостоке.

В конструкциях применялись  горячеоцинкованные стали с толщиной Zn 15-20 мкм.

При обследовании состояния оцинкованных конструкций в Москве с облицовкой сайдинг после 7 лет эксплуатации покрытие сохранилось практически полностью, было выявлены незначительное повреждение слоя цинка. Что подтверждено данными металлографических исследований.

Состояние оцинкованных кронштейнов после эксплуатации в г. Владивосток в течение 7 лет можно оценить как удовлетворительное:

- в зоне, находящейся вне контакта с утеплителем, покрытие сохранилось практически полностью;

- в контакте с утеплителем выявлено заметное повреждение покрытия в виде потемнения, площадь повреждений составляет до 70% от общей поверхности.

На шлифах в зонах повреждений выявлено уменьшение толщины покрытия вследствие коррозии равномерно и составляет порядка 10 мкм, язвенных повреждений не зафиксировано.

Анализ повреждений свидетельствует о том, что средняя (за время эксплуатации) скорость коррозии покрытия составляет не более 1 мкм в год.   

Таким образом, срок службы оцинкованных конструкций составит порядка 25-35 лет в зависимости от условий эксплуатации и вида облицовки.

Например, облицовка типа сайдинг защищает конструкцию  от внешнего воздействия среды и обеспечивает защиту от коррозии.

В облицовке керамогранит существуют зазоры и возможен контакт с  внешней атмосферой, что  может усиливать  коррозию цинка.

Оцинк стали.JPG

9. Оцинкованные окрашенные стали

Кронштейны из окрашенной оцинкованной стали демонтированы в городах Москва и Санкт-Петербург.

После 7 лет эксплуатации покрытие, толщина которого составляет 45 мкм, сохранилось практически полностью. Однако, на кронштейнах из  г.Москва в зонах непрокрасов выявлены точки ржавчины.

Основная защита стальных деталей осуществляется за счет цинкового слоя, а дополнительная за счет лакокрасочных покрытий.

Срок службы  стальных оцинкованных конструкций в зависимости от толщины и типа покрытий составит 35-50 лет.

При проведении механических испытаний выявлено, что в конструкциях применяются стали с повышенной пластичностью.

  Для изготовления деталей использовали сталь 08 кп (кипящую). Сталь перед разливкой продолжает как бы кипеть (СО) и в ней остаются пузырьки кислорода, которые после проката образуют микродефекты и могут вызывать хладноломкость при работе конструкций при пониженных температурах.

Кипящие стали имеют высокую пластичность и не рекомендуются для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации значительные механические нагрузки.

Следовательно,   для длительной эксплуатации рекомендуется применение сталей 08пс (полуспокойных).

Оцинк окраш стали.JPG

10. Алюминиевые сплавы 

    Для проведения исследований отобраны образцы кронштейнов, изготовленных из сплавов АД0, 6060 (6063) и АД31.

Свойства и коррозионная стойкость зависит от химического состава сплавов – в основном от количества железа и меди, которые снижают коррозионную стойкость и магния, которые ее повышает.

Кронштейн из сплава АД0 (нагартованный) после эксплуатации в течение 5 лет в г. Владивостоке (облицовка  керамогранит). Изменений во внешнем виде и внутреннем состоянии материала детали практически не выявлено. Лишь в зоне контакта с утеплителем зафиксированы признаки расслаивающей коррозии в начальной стадии.

Таким образом, сплав АД0 (технический алюминий) чистый по легирующим элементам обладает высокой коррозионной стойкостью и рекомендуется для длительной эксплуатации.

Алюимн сплав Владивосток.JPG

11. Наиболее распространенные сплавы для несущих конструкций - 6060 и 6063 и их российский аналог  АД31.

Сплавы являются атмосферостойкими за счет способности алюминия к образованию на поверхности пассивной пленки.

На исследования предоставлены кронштейны после эксплуатации в течение         10 лет в атмосфере г. Москвы – облицовка металлический сайдинг.

При внешнем осмотре на поверхностях деталей выявлены  множественные коррозионные повреждения в зонах, находящихся вне контакта с утеплителем. На шлифах зафиксирована расслаивающая коррозия на глубину 200 мкм. Это означает, что утонение толщины детали составляет порядка полмиллиметра.

Алюимн сплав Москва.JPG

12Сплав АД31.

Исследована конструкция после 18 лет эксплуатации в г. Москве. В сплаве при проведении спектрального анализа выявлено повышенное содержание железа.

Как видно на слайде, в материале деталей при контакте с утеплителем выявлена интенсивная расслаивающая коррозия. При проведении механических испытаний выявлено снижение прочностных характеристик на 70% за счет образования в сплаве продольных трещин.

Таким образом,  развитие расслаивающей коррозии алюминиевых сплавов деталей НФС связано с воздействием связующего утеплителей и является наиболее опасным видом коррозионного разрушения из-за невозможности  торможения со временем, что может привести к  значительному изменению геометрии профилей. В связи с тем, что в фасадных системах  используются тонкостенные детали, то к возможности таких коррозионных повреждений следует относиться очень внимательно. Следует отметить, что по результатам многолетних испытаний сплавов типа АД31  как в натурных, так  и лабораторных условиях не наблюдалось ни одного случая расслаивающей коррозии или коррозионного  растрескивания.

Алюмин сплавы.JPG

   13. Одной из задач исследований является верификация авторской методики оценки долговечности несущих конструкций НФС, разработано  в МИСИС, с фактическими данными.  Доклад демонстрирует то, что мы в нашей лаборатории разработали методику, позволяющую делать долгосрочные прогнозы. Причем результат наших испытаний хорошо коррелирует с реальными данными эксплуатации. На рис. представлены примеры для оцинкованной стали и алюминиевых сплавов. Подобраны режимы испытаний, где 30 суток выдержки в испытательных камерах соответствуют 15 годам реальной эксплуатации.

Корреляция.JPG

  14. Таким образом,

1. Выполнено проведение коррозионных испытаний несущих конструкций  в контакте с материалом утеплителя с целью оценки долговечности в эксплуатационных условиях.

2. Разработана методика диагностирования технического и коррозионного состояния металлических элементов навесных фасадных систем. Предложенная методика позволяет получать значения долговечности металлоконструкций в различных климатических условиях.

3. Проанализированы причины появления коррозионных повреждений в материалах деталей несущих конструкций из коррозионностойких и углеродистых с дополнительными антикоррозионными покрытиями сталей и алюминиевых сплавов.

4.  Выявлена взаимосвязь между коррозионными потерями металлических элементов в  атмосферных условиях и составом загрязнения окружающей среды, которую можно использовать для оценки коррозионного поведения конструкций в зонах с промышленным  и приморским климатом.


Возврат к списку