Date & Time
ENG

АВТОРЕФЕРАТ К ДИСЕРТАЦИИ
ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА ДОННТУ    СТРАНИЦА МАГИСТРОВ ДОННТУ    ПОИСКОВАЯ СИСТЕМА ДОННТУ   

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА     БИБЛИОТЕКА    АВТОБИОГРАФИЯ     ССЫЛКИ    ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ   

Марьенков Сергей Валентинович

Тема выпускной работы:

"Разработка системы обеспечения техногенной безопасности металлоконструкций в условиях коксохимического производства"



Введение

     В последнее десятилетие на многих промышленных предприятиях сложился низкий уровень техногенной безопасности, что связано с прогрессирующим старением основных фондов, отсутствием или медленными темпами восстановления, реконструкции и обновления техники. В частности металлоконструкции на большинстве предприятий работают в агрессивных условиях, что приводит их в негодность вследствие одновременного воздействия механических факторов, коррозии и их суммарного влияния.
     Металлы и их сплавы являются наиболее важными современными конструкционными материалами. Всюду, где эксплуатируются металлические конструкции, есть вещества, которые, взаимодействуя с металлами, постепенно их разрушают: ржавление металлических конструкций (железных кровель зданий, стальных мостов, опор, станков и оборудования цехов) в атмосфере; разрушение металлических баков и аппаратов растворами кислот, солей и щелочей на химических и других заводах; ржавление стальных трубопроводов в земле и т. п.
     Коррозия металлов и металлоконструкций наносит большой ущерб промышленным предприятиям в особенности коксохимическим заводам. Потери от коррозии металлов складываются из стоимости изготовления металлических конструкций, пришедших в негодность вследствие коррозии, из безвозвратных потерь в виде продуктов коррозии и из косвенных убытков.
     Коррозия металлов и металлоконструкций косвенно влияет на продолжительную работу всего оборудования, на расходы, связанные с отказом в работе металлического оборудования, простоем его, со стоимостью его ремонта или замены, с порчей продукции заводов химической промышленности вследствие загрязнения ее продуктами коррозии, увеличением расхода металла, обусловленным завышенными допусками на коррозию и увеличения техногенной безопасности.
     В настоящее время на производствах отсутствует эффективная система анализа состояния металлоконструкций, замена и сроки ремонтов назначаются без научного обоснования. Все это приводит к повышению затрат на содержания фонда металлоконструкций и повышенному уровню техногенной безопасности. В особенности на коксохимическом производстве, где эта проблема является наиболее актуально это связанно с тем, что в атмосферу попадают множество химических соединений вызывающих коррозию металлов.


Направление исследования и постановка задачи

     Основным направлением в области обеспечение техногенной безопасности металлоконструкций является изучение свойств и поведения материалов в агрессивных средах, получения зависимостей скорости коррозии от концентрации веществ для различных видов сталей, разработка новых видов нержавеющих сталей, а также разработка новых видов защитных покрытий. Еще одним из видов продление ресурса и повышение техногенной безопасности металлических конструкций является механическая и термическая обработка материала и создания баз данных для прогнозирования коррозионного разрушения конструкций.
     Основным материалом используемый при проектировании и создании различных металлоконструкций являются черные металлы различных марок, которые выпускают в виде профилей, таких как двутавр, швеллер и т.д. Большинство металлоконструкций выполняют несущую роль, то есть являются опорами для трубопроводов, крыш, перекрытий, опор различных аппаратов, направляющих, корпусов (рам) машин и т.д.
     Описанные виды металлоконструкций подвержены в основном атмосферной коррозии, так как расположены на открытых промышленных площадках или проветриваемых цехах. Многочисленные конструкции, работающие в условиях агрессивных растворов или атмосфер, часто подвергаются коррозионно-механическому разрушению под совместным воздействием коррозионной среды и механических факторов.
     Предлагается система обеспечения техногенной безопасности металлоконструкций, которая основана на системном подходе, что позволит с большой точностью определять коррозионное состояния металлоконструкций в процессе эксплуатации, выбрать тот или иной способ защиты учитывающая условие работы и коррозионную активность среды, определить экономическую выгоду от комплекса защитных мер, как на стадии проектировании, так и для существующих металлоконструкций. Система разработана для основных металлоконструкций (опоры, перекрытия, фермы, направляющие и т.д.).
     Данная система разработана для металлоконструкций, которые воспринимают только статические нагрузки и изготовлены из различных профилей и подверженные коррозии, коэффициент которой известен из опыта работы в данных условиях.


Характеристика коррозионного процесса

     Атмосферная коррозия металлов — самый распространенный вид коррозии. Примерно около 80% металлических конструкций эксплуатируется в атмосферных условиях: машины и разное металлическое оборудование промышленных предприятий, сельскохозяйственные машины, стальные мосты, каркасы и металлические кровли зданий, различные виды транспорта и др.
     Основной фактор, определяющий механизм и скорость атмосферной коррозии, — степень увлажненности поверхности корродирующих металлов. По степени увлажненности корродирующей поверхности металлов различают следующие типы атмосферной коррозии металлов:
     1) мокрую атмосферную коррозию — коррозию при наличии на поверхности металла видимой пленки влаги. Этот тип атмосферной коррозии наблюдается при относительной влажности воздуха около 100%, когда имеет место капельная конденсация влаги на поверхности металла, а также при непосредственном попадании влаги на металл (дождь, обливание конструкции водой и др.);
     2) влажную атмосферную коррозию — коррозию при наличии на поверхности металла тончайшей, невидимой пленки влаги, которая образуется в результате капиллярной, адсорбционной или химической конденсации при относительной влажности воздуха ниже 100%.
     3) сухую атмосферную коррозию — коррозию при полном отсутствии пленки влаги на поверхности металла.
     Деление это условное, так как в практических условиях возможны взаимные переходы одного типа коррозии в другой.
     Мокрая атмосферная коррозия металлов по своему механизму приближается к электрохимической коррозии при полном погружении металла в электролит, отличаясь от нее меньшей затрудненностью диффузии кислорода тонкими слоями электролита и наличием энергичного слоя перемешивания электролита в этих тонких слоях конвекцией. Этот вид атмосферной коррозии металлов протекает, по данным И. Л. Розенфельда, с преимущественным катодным контролем при основной роли диффузии кислорода.
     Коррозия незащищенной поверхности стали в атмосфере, определяется климатическими условиями данного места. Основные факторы: наличие влаги и степень загрязнения воздуха; однако следует учитывать и менее важные параметры, например температуру.
     Наиболее распространенным видом атмосферной коррозии металла является влажная атмосферная коррозия, наблюдаемая при капиллярной, адсорбционной или химической конденсации влаги на поверхности металла при относительной влажности воздуха меньше 100%.
     К числу факторов, влияющих на скорость коррозии в атмосфере, не меньшую роль, чем степень влажности воздуха, играет состав пленки, сконденсированной на металлической поверхности. Состав пленки и степень ее агрессивности зависят от степени загрязненности воздуха и характера этих загрязнений. В зависимости от этих условий, скорость атмосферной коррозии одного и того же металла или сплава может изменяться в десятки и сотни раз.
     Влага может попадать на поверхность стали непосредственно в виде жидкости, например в результате дождя, или росы, но в определенных условиях коррозия стали может вызываться и парами воды, всегда содержащимися в воздухе (даже при значениях относительной влажности, далеких от насыщения).

График
Рисунок 1 - График зависимости коррозии от влажности

      Этот важный факт впервые продемонстрировал Верной в серии своих классических экспериментов [8]. Результаты некоторых из них приведены на рис. 1. Верной показал, что в чистом воздухе при относительной влажности ниже 100% коррозия минимальна, но уже очень небольшие концентрации примесей, таких как двуокись серы, могут вызывать значительную коррозию даже в отсутствие видимых следов осаждения влаги. Достаточно, чтобы относительная влажность превысила некоторое критическое (причем сравнительно небольшое) значение. Это значение в какой-то мере зависит от природы загрязнения атмосферы, но в присутствии двуокиси серы оно составляет 70 — 80%. Если влажность ниже критической, то коррозия незначительна даже в загрязненном воздухе.
     Появление влаги на при влажности выше критической, но ниже точки насыщения может объясняться или адсорбционным механизмом, или присутствием на поверхности гигроскопичных солей. После начала коррозии состав образовавшейся ржавчины будет влиять на относительную влажность, при которой идет дальнейшая коррозия, так как продукты коррозии, образующиеся в загрязненной атмосфере, содержат гигроскопичные соли. Однако механизм, по которому влага достигает поверхности, не столь важен для коррозии, как продолжительность времени, в течение которого сталь остается влажной.
     Известно, что металлические конструкции, работающие в условиях совместного воздействия агрессивных сред и механических напряжений, подвергаются более сильному разрушению, чем в отсутствии последних. В химической промышленности за последние годы нашли распространение различные высокопроизводительные процессы, протекающие в аппаратах в условиях высоких механических нагрузок, больших скоростей движения жидких и газовых сред, высоких давлений и температур, которые часто являются причинами преждевременного выхода из строя оборудования.
     Различают, по крайней мере, пять характерных случаев коррозионно-механического разрушения металлоконструкций, отличающихся своеобразием воздействия механического фактора. Для металлоконструкций работающих под статическими нагрузками характерны всего три вида коррозионно-механического разрушения это общая коррозия напряженного металла, коррозионное растрескивание, коррозионная усталость.
     Наличие механических напряжений в металле, лежащих в упругой области или связанных с деформацией решетки, безразлично внутренних или приложенных извне, растягивающих, сжимающих или сдвиговых, влияет на коррозионное поведение металла вследствие двух основных причин:
     1) сообщения металлу добавочной энергии и в результате этого некоторого понижения его термодинамической стабильности;
     2) нарушения сплошности пассивных пленок, т. е. снижения их защитных свойств.
     Коррозионное растрескивание — это разрушение металлов и сплавов при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих механических напряжений, приводящее к ускоренному образованию коррозионных трещин.
     Коррозионная усталость металлов — это хрупкое разрушение их в результате образования трещин меж- и транскристаллитного характера при одновременном воздействии коррозионной среды и переменных (циклических) напряжений, обычно не превышающих предел упругости.


Математическое моделирование процесса деградации металлоконструкций

      Для создания любой модели необходимо ввести некоторые условия (допущения) для металлоконструкций работающие в условиях коксохимического производства, такие как скорость коррозии, виды профилей, используемые при изготовлении и определить нагрузки воздействующие на них.
     Основным условием работоспособности металлоконструкции является критерий прочности:

σ ≤ [σ] = σв / n

      Коэффициент запаса прочности "n" элементов металлоконструкции назначается в зависимости от степени их ответственности (уровень технологической опасности, тяжесть последствий при аварии, величины территориального риска и т.п.).
     В свою очередь напряжения в металлоконструкции зависит от многих других факторов или критериев:

σ = f (F;J;W;i)

     Эти перечисленные критерии (параметры) показывают характерные возможности выбранного сечения, что позволяет выбрать необходимый профиль для данной металлоконструкции.

Металлоконструкция

      Следующим этапом в моделировании является определения напряженно-деформированного состояния металлоконструкции, определения критериев коррозионного процесса и составления 3-D модели металлоконструкции. Заключительным этапом раздела является определения наиболее нагруженного элемента с помощью CAD – систем.

Схема

Рисунок 2 – Схема системного подхода к обеспечению техногенной безопасности металлоконструкций.

     Все этапы моделирования отражает схема системного подхода к обеспечению техногенной безопасности металлоконструкций представленная на рисунке 2.
     Для реализации данного подхода разработана база данных для: марок сталей используемых в металлоконструкциях, стандартных профилей, скоростей коррозии в основных коррозионных средах. Составлена программа, позволяющая определять изменение основных параметров профилей в зависимости от коррозии с фиксированным или переменным шагом. Это позволяет определять изменение основных геометрических и массо–центровочных характеристик, таких как площадь сечения, моменты инерции и моменты сопротивления сечения. По опыту эксплуатации металлоконструкции на любом предприятии уже известна средняя скорость коррозии в данных условиях, что позволяет определить возможные изменения во времени приведенных выше параметров металлоконструкций.


Исследование процесса деградации при помощи математической модели элементов металлоконструкций

     На основе полученной модели и базы данных получим изменения параметров сечения для более нагруженного элемента. Определяем усилие действующие на этот элемент и все реакции связей с другими элементами. После этого определяем напряжения, возникающие в элементе в начальный момент времени, т.е. после монтажа конструкции. Следующим этапом является определения изменения напряжений в элементе после года эксплуатации объекта с учетом скорости коррозии и изменения сечения. Следуя этому алгоритму, получим данные изменения параметров сечения, действующих напряжений при постоянной скорости коррозии с годами. Можно также с помощью этого алгоритма можно получить изменения параметров сечения, действующих напряжений при разных скоростях коррозии (рис.3):

График

Рисунок 3 – Схема системного подхода к обеспечению техногенной безопасности металлоконструкций.

     По полученным результатам можно разработать мероприятия по повышения срока службы конструкции.
     Следующим шагом является разработка технических решения, проверка экономической эффективности использования всей предложенной системы или противокоррозионной защиты.


Практические рекомендации и методы обеспечения техногенной безопасности

     Данном разделе системы описана база методов защиты и области применения при различных условиях эксплуатации объектов и их целесообразность применения. Описание рекомендаций для проектируемых, действующих и общих подходов и мер по продлению ресурса металлоконструкций.
     Основными методами защиты является механическая или химическая обработка поверхности металлоконструкций с последующим нанесением различных видов защитных покрытий, к которым относятся в основном лакокрасочные материалы.
     Также будет составлен регламент действий (операций) которые необходимо произвести для повышения уровня защиты действующих конструкции от коррозионного воздействия и защиты, проектируемых при монтаже.


Выводы

     В работе представлен новый подход к решению проблемы обеспечения техногенной безопасности металлоконструкции и прогнозирования коррозионного процесса деградации в процессе эксплуатации. Данный подход позволит в большей точность определять коррозионное состояния конструкций, уменьшить экономические затраты на ремонт и преждевременную замену металлоконструкций, а также позлит при проектировании и монтаже не увеличивать уровень безопасности используя только необходимый материал.
     Расчет и моделирование по более нагруженному элементу позволит контролировать уровень безопасности для всей конструкции в целом. Использую программу расчета изменений параметров сечения стандартных профилей можно выбрать нужный тип защиты или применить необходимые меры которые повысят долговечность металлоконструкций.
     Применение расчётных программ позволит значительно упростить расчёт уровня опасности таких объектов как металлоконструкции. Данный подход существенно улучшит работоспособность заводского оборудования, уменьшит возможность техногенной аварии и экономических затрат предприятия.


Литература

  1. Парфенюк «Продление ресурса и повышение техногенной безопасности основных конструкций на коксохимических предприятиях» Кокс и химия. 2001г. № 5 стр. 36-41
  2. Коломийченко А.И. «Мониторинг коррозионного разрушения металлоконструкций объектов Ясиновского коксохимического завода» Кокс и химия. 2003г. № 11 стр. 36-40
  3. Жук Н.П. «Курс теории коррозии и защиты металлов» М.: Изд-во «Металлургия», 1976г. 472 с.
  4. А.В. Салтанов «Новые материалы коррозионной защиты на базе отходов коксохимического производства» Кокс и химия. 1999г. № 11 стр. 30-35
  5. Степанов И.А., Савельев И.Я. Антикоррозионная служба предприятия. М., Металлургия, 1987, 240с.
  6. Емелин М.И., Герасименко А.А. Защита машин от коррозии в условиях эксплуатации., М.: Машиностроение, 1980, 224с.
  7. КлиновИ.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы., М., Машиностроение, 1967, 468с.
  8. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. М.: Металлургия, 1986, 359с.
  9. Жук Н.П. «Коррозия и защита металлов. Расчет» Москва, 1957г. 332с.
  10. Нестеренко С.В., Ефименко Н.Г. Балан Л.Н. «Коррозионная стойкость микролегированных сварных швов в технологических средах цехов улавливания химических продуктов коксования» Кокс и химия. 1992 г. № 8
    стр. 32-37