Fejlesztés a szerkezeti és alapozási elemek szilárdságának és megbízhatóságának számítási módszereiben

UDK 624.04

A FÉMSZERKEZETŰ RUDAS SZERKEZETEK KORRÓZIÓS VISZELKEDÉSÉNEK ELŐREJELZÉSE

Belousov E.A. mesterhallgató, Urál Állami Közlekedési Egyetem mérnöke, ZAO „ProjektSteelKonstrukció Intézet”
tudományos vezető: DSc. mérnöki tudományok, professzor Ovcsinnikov Igor Georgievics

Jelen tanulmány a korrózió osztályozására vonatkozó meglévő megközelítéseket, valamint a korróziós folyamatok modellezését ismerteti; bemutatja az alapvető problémákat a megfelelő modell kiválasztásában a további acélszerkezetek viselkedésének előrejelzéséhez.

Kulcsszavak: rudas szerkezetek, korróziós kopás, fém szerkezetek, rácsos tartó, szerkezeti lemez, matematikai modellezés

Sok ipari és középületek, valamint mérnöki létesítmények, amelyeket napjainkban használnak, a XX. század első felében épültek, a Szovjetunió ipari fejlődésének időszakában. Ma ezeket az objektumokat részletesen felmérik, és szükség esetén felújítják vagy rekonstruálják. A műszaki vizsgálatok azt mutatják, hogy a fém korróziós károsodása az egyik leggyakoribb probléma az acélvázak és elemeik, valamint a mérnöki létesítmények esetében. Az [1] adatai szerint a korrózió világszerte évi 2,2 billió dolláros költséget jelent, ami a világ GDP-jének több mint 3%-a.

Az elmúlt évtizedben Oroszországban aktívan építettek nagy sport- és ipari létesítményeket, valamint mérnöki objektumokat, ahol a fő építőanyag az acél. Példák: a 2018-as labdarúgó-világbajnokság stadionjai, a szocsi olimpiai komplexum, a „SIBUR Tobolsk” ipari kombinát, a Kercsi-szoros hídja, a Zeyai vízierőműből Kínába vezető energiahíd és mások. Az acélszerkezetek korróziós kopásának előrejelzése fontos a meglévő épületek és létesítmények kritikus korróziós folyamatainak felismeréséhez és megelőzéséhez, valamint az építés alatt álló szerkezetek elemeinek védelméhez.

A [5] munkában szerepel egy ilyen osztályozás, ahol a korrózió összes folyamata hét osztályra van bontva: szelektív, repedés, mechanokémiai, elektrokémiai, kémiai, biológiai, magas hőmérsékletű. Minden osztályon belül kiemelik a legjellemzőbb korróziótípusokat: teljes korrózió, pontkorrózió, foltos korrózió, fekélyes korrózió, szálkorrózió, kontaktkorrózió, repedéses korrózió stb.

Bár a korróziós folyamatok kialakulása és lefolyása tudományos szempontból aktuális téma, a gyakorlatban szinte nincs szabályozott irodalmi hivatkozása, és nem használják a tervezési számításokban. Jelenleg a korróziós folyamatok modellezése elsősorban empirikus adatokon alapul, és az időbeli paraméterváltozások leírására szorítkozik, amelyek lehetővé teszik a korróziós károsodás mértékének meghatározását. Leggyakrabban ezek a paraméterek:

• tömeg változása;

• keresztmetszeti terület változása;

• szilárdsági jellemzők változása;

• a korrózió mélysége stb.

Az acél korróziós kopásának matematikai modelljei két osztályra oszthatók [4]:

1. fiziko-kémiai modellek, amelyek a korróziós folyamatot írják le;

2. fenomenológiai modellek, amelyek a különböző paraméterek időbeli változásának sebességét adják meg.

A fiziko-kémiai modellek matematikai kapcsolatot állítanak fel a környezeti jellemzők (páratartalom, hőmérséklet, agresszív környezet stb.) és a korrózióparaméter között. 1. táblázat példákat mutat az ilyen modellekre [3].

1. táblázat. Fiziko-kémiai korróziós modellek

A létező modellek többsége fenomenológiai, amelyek empirikus adatok alapján a legmegfelelőbb formulákat választják. A második osztályon belül vannak modellek, amelyek figyelembe veszik, illetve nem veszik figyelembe a szerkezetek feszültségi állapotát (2. és 3. táblázat) [3].

2. táblázat. Fenomenológiai modellek, amelyek nem veszik figyelembe a feszültségi állapotot

Megjegyzés: δ – korrózió mélysége; t – idő; egyéb paraméterek meghatározott együtthatók vagy függvények.

3. táblázat. Fenomenológiai modellek, amelyek figyelembe veszik a feszültségi állapotot

Megjegyzés: δ – korrózió mélysége; t – idő; σ – feszültség; T – hőmérséklet; ε – deformáció; E – fajlagos energia; egyéb paraméterek meghatározott együtthatók vagy függvények.

A fenomenológiai modellek alkalmazásának nehézsége, hogy az empirikus képletek nem mindig tükrözik a valós folyamatot. További probléma, hogy minden modell csak bizonyos környezeti paraméterek esetén érvényes, nem univerzális.

A meglévő korróziónak kitett rudas szerkezetek előrejelzéséhez a mérnöki számításban a következő lépések javasoltak:

1. Mérnöki felmérés adatainak elemzése és a legmegfelelőbb fenomenológiai modell kiválasztása;

2. A modell együtthatóinak meghatározása a legjobb illeszkedéshez;

3. Program kidolgozása vagy kész szoftvercsomag használata a számításokhoz;

4. Eredmények elemzése és összevetése a felmérés eredményeivel.

A fő nehézség, hogy a modell kiválasztásakor figyelembe kell venni nemcsak a meglévő adatokat, hanem a modell jövőbeni alkalmazhatóságát is előre kell jelezni.

Összegzésül, annak ellenére, hogy a korróziós mechanizmus kellően tanulmányozott, léteznek matematikai modellek, és a korrózió évente jelentős gazdasági kárt okoz, a korróziós folyamat modellezése és előrejelzése szinte nem jelenik meg a szabványos irodalomban, és nem használják a tényleges mérnöki számításokban.

Irodalomjegyzék