2.7. Виды повреждений металлических конструкций

В металлических опорных конструкциях контактной сети в процессе эксплуатации могут развиваться:

повреждения от основных силовых воздействий, к числу которых относятся разрывы и потеря устойчивости конструктивных элементов, выход из строя сварных швов, болтовых и заклепочных соединений;

повреждения от случайных механических нагрузок-вмятины, прогибы, искривления;

повреждения от физических воздействий - хрупкие разрушения при низких отрицательных температурах, коробление и потеря несущей способности элементов конструкций при повышенной температуре;

повреждения от электрохимических и физико-химических воздействий, например коррозии.

Повреждения от силовых воздействий возникают в тех случаях, когда при проектировании неправильно учтены действительные нагрузки или при изготовлении допущены отклонения от проектного решения, а также при увеличении нагрузки на конструкции за счет подвески дополнительных питающих и усиливающих проводов, установки кронштейнов, анкеровки подвесок и других аналогичных воздействий. В эксплуатируемых конструкциях повреждения от силовых воздействий пока наблюдаются редко. Примененный для изготовления опор и ригелей металл обладает достаточными прочностными и деформативными характеристиками, хотя иногда и отличается от предусмотренного проектами по химическому составу. Сварные и болтовые соединения, как показали многочисленные обследования и испытания, имеют достаточный запас прочности. Лишь в очень редких случаях отмечаются недостаточно качественно выполненные сварные швы (короткие по длине или с подрезами основного металла).

Повреждения от механических нагрузок встречаются в опорных конструкциях довольно часто. Причинами их появления чаще всего бывают наезды автотранспорта, тракторов, кранов, удары выступающих частей подвижного состава и перевозимой техники. Нередки случаи искривления поясных уголков и раскосов при монтаже.

Эти повреждения представляют серьезную опасность, особенно когда погнутыми оказываются сжатые элементы (рис. 2.32).

К повреждениям от физических воздействий следует относить хрупкие разрушения при низких отрицательных температурах, потерю устойчивости элементов конструкций из-за нагрева их до высоких температур, например при пожаре. Случаи хрупкого разрушения при низких отрицательных температурах отмечались в районах с суровыми климатическими условиями. Причиной их появления был неправильный выбор металла для изготовления конструкций.

Происходят хрупкие разрушения из-за пониженной ударной вязкости сталей при понижении температуры, особенно СтЗкп. Способствуют хрупкому разрушению концентраторы напряжений.

Повреждения от электрохимических и физико-химических воздействий проявляются в различных видах коррозии стали. Основными причинами коррозии являются следующие:

агрессивность внешней среды;

недостаточная стойкость материалов, в частности широко применяемой конструкционной стали СтЗ;

недолговечность защитных покрытий;

несвоевременное восстановление поврежденных защитных покрытий, отсутствие систематических наблюдений за состоянием их;

недостаточное внимание исследователей и проектировщиков к обеспечению долговечности сооружения.

Коррозионные поражения стальных конструкций по характеру развития имеют следующие две разновидности: поверхностную равномерную (или неравномерную) коррозию и объемную. Официально такого деления коррозионных процессов на две разновидности не существует, но оно удобно для понимания существа дела. К поверхностной коррозии следует отнести и местную, развивающуюся от поверхности в глубь металла на ограниченной площади, - коррозию пятнами, язвами. К числу видов объемной коррозии, протекающей с малозаметными внешними признаками или вообще без них (но в объеме материала), относятся межкристаллитная, подповерхностная и ножевая коррозия, коррозионная усталость. Сюда, вероятно, нужно отнести и коррозию точками (питтинг).

По условиям протекания на стальных конструкциях коррозия подразделяется на атмосферную, почвенную, подводную,, биологическую, щелевую и др. Имеет место в опорных конструкциях, в частности в зоне стыкования их с фундаментами, и электрическая коррозия.

В надземных конструкциях, изготовляемых из обыкновенной углеродистой стали СтЗ, наиболее часто встречающимся видом коррозии является равномерная или неравномерная поверхностная. Именно из-за этого вида коррозии выходит из строя подавляющая часть металлических конструкций. Условий для развития таких опасных видов объемного разрушения, как межкристаллитная и ножевая коррозия, в опорах контактной сети нет.

Межкристаллитная коррозия - это разрушение металла по границам зерен при воздействии химического реагента. Такой вид коррозии может возникнуть лишь в том случае, если металл неоднороден, коррозионная стойкость его по границам зерен меньше, чем в центральной части их.

Конструкционная сталь марки СтЗ содержит очень малое количество хрома и никеля (до 0,3%). Она в одинаковой степени подвержена коррозии как по границам зерен, так и в центральной части их. В связи с этим она не может подвергаться межкристаллитной коррозии.

Ножевая коррозия является разновидностью межкристаллитной коррозии и протекает в высоколегированных сталях. Она поражает участки сварных соединений. Этому виду коррозии конструкционная сталь СтЗ также не подвержена.

Коррозионное растрескивание сталей является одним из опаснейших видов повреждений металлоконструкций. Это весьма специфическая форма повреждения металла, зависящая от механических воздействий и коррозионной среды. Проявляется она в виде снижения прочностных характеристик металла. Причем порогового напряжения, ниже которого растрескивание металла не происходило бы, не существует.

Для протекания процесса коррозионного растрескивания характерны следующие условия. Во-первых, нужно, чтобы металл хотя бы в поверхностных слоях находился в растянутом состоянии. Во-вторых, коррозионная среда должна обладать определенными свойствами. Не во всех средах может протекать процесс коррозионного растрескивания. Например, углеродистая сталь отличается повышенной склонностью к растрескиванию в средах, содержащих ионы OH^- и NO^-₃, в то время как в присутствии таких реагентов, как SO^2-₄, Cl^-, этого вида разрушения не происходит. Устранение либо среды, либо напряжений приостанавливает дальнейший рост трещин.

Исследований по коррозионному растрескиванию проведено достаточно много. Однако механизм этого процесса раскрыт еще недостаточно. Поэтому оценить подверженность опорных металлоконструкций контактной сети коррозионному растрескиванию трудно. С уверенностью можно сказать, что таких разрушений не должно происходить в надземных конструкциях, т. е. в ригелях, так как нет соответствующих коррозионных сред. Возможность же развития процесса коррозионного растрескивания поясов опор на уровне заделки их в оголовки фундаментов не исключена, хотя и маловероятна.

Коррозия точками (питтинг) в опорных металлоконструкциях, в том числе и ригелях, вполне возможна. Она может быть обусловлена неоднородностью структуры металла, повышенной агрессивностью среды в отдельных местах, наличием повреждений в защитных покрытиях и другими причинами. Учитывать возможность появления их следует. Но эти виды коррозии менее опасны, чем ранее рассмотренные, так как могут быть своевременно обнаружены по внешним признакам.

В местах соединения элементов конструкций внахлестку возможно также протекание щелевой коррозии. Причинами ее возникновения являются задержка воды в щелях, затрудненность и неравномерность аэрирования. Она может протекать в зазорах между металлами, между металлом и неметаллом, например в резьбовых соединениях, между поясами и накладками.

Наиболее опасна щелевая коррозия, если она будет протекать между поясами и накладками, так как в этом случае во фланговых сварных швах в дополнение к срезающим усилиям от внешней нагрузки должны появляться растягивающие усилия, которые ранее при проектировании не учитывались. Поэтому при обследовании ригелей следует обращать особое внимание на этот вид коррозии.

Проведенные на Советских железных дорогах массовые обследования эксплуатируемых металлических опор, ригелей, консолей, кронштейнов показали, что в них развиваются в основном равномерная и неравномерная поверхностная коррозия, коррозия язвами и точками. Реже встречается щелевая и подповерхностная коррозия. Следствием больших коррозионных разрушений эксплуатируемых металлических конструкций является неудовлетворительная защита их на стадии изготовления и в процессе эксплуатации.

% Срок службы рекомендованных проектами защитных покрытий, насколько можно судить по опубликованным работам в этой области [3, 7, 17], не может превысить 2-3 лет. Так, например, Руководством по нанесению защитных покрытий на строительные конструкции трехлетний срок службы защитного покрытия на основе масляных красок в неагрессивных средах гарантируется в том случае, если количество покровных слоев составит не менее трех (при двух грунтовых).

Для агрессивных сред масляная краска вообще не рекомендуется. В этих условиях следует применять синтетические эмали при нанесении шести-восьми покровных слоев по двум грунтовым слоям. Срок службы такого покрытия может составить 4-5 лет. Далее необходимо ремонтировать покрытие.

Лучшие результаты дает нанесение напылением алюминия или цинка с последующей пропиткой такого покрытия лакокрасочными материалами. Такое комбинированное покрытие, как показывают отечественный [17] и зарубежный [16, 37] опыт, может защищать сталь от коррозии в неагрессивных средах в течение 20-30 лет, а в агрессивных - 10-15 лет.

На срок службы в 5-6 лет можно рассчитывать при использовании свинцового сурика на льняной олифе, если количество слоев будет не менее четырех [37]. Примерно такой же срок службы у красок, пигментированных цинковой пылью, если количество ее составит в высохшей пленке не менее 92-94%. В зарубежной практике по-прежнему отдают предпочтение свинцовому сурику [16]. В наносимые обычно на свинцово-суриковый грунт свинцовые белила или пигментированные окисью цинка покровные краски для снижения хрупкости покровных слоев [37] Добавляют железную слюдку или алюминиевую пудру.

За рубежом широко распространено также горячее цинкование с последующим нанесением лакокрасочных покрытий. Этот опыт нашел применение и при защите опор линий электропередачи. Оцинковываются и некоторые элементы поддерживающих конструкций контактной сети (хомуты, стойки изолированных консолей, фиксаторов). Но в то же время наиболее ответственные конструкции - ригели, опоры, мачты - имеют при сдаче в эксплуатацию очень слабое защитное покрытие. Вся ответственность за долговечность металлических опорных конструкций переложена на эксплуатационников.

Однако до настоящего времени нет соответствующих механизмов для очистки поверхностей эксплуатируемых конструкций, да и геометрия конструкций сложна. Работы по окраске проводятся вручную. Для проведения окраски во многих случаях требуется снятие напряжения с контактной сети и в связи с этим закрытие движения поездов, что сделать далеко не всегда возможно из-за интенсификации перевозок. В итоге проводить работы по защите опорных конструкций от коррозии и особенно ригелей в требуемом объеме почти невозможно, да и применяемые краски недолговечны. Поэтому следовало ожидать, что опоры и особенно ригели как наиболее слабо защищенные должны подвергаться коррозионным разрушениям. Кинетика их разрушения зависит от условий эксплуатации.

Атмосферная коррозия металла определяется совокупностью таких метеорологических факторов, как влажность воздуха, температура, химический состав атмосферы и осадков, длительность увлажнения поверхности фазовыми слоями воды [11, 52].

При наличии адсорбционной воды на поверхности металла коррозионный процесс контролируется в основном окислительными реакциями на аноде. Но адсорбционные слои влаги не являются существенным препятствием для диффузии кислорода. Поэтому одновременно на близлежащих катодных участках протекают и реакции восстановления кислорода. При уменьшении влажности воздуха анодная поляризация возрастает. Это объясняется пассивированием поверхности анода в результате образования сплошной окисной пленки.

Существенно увеличивается скорость коррозии при увлажнении поверхности металла фазовыми слоями воды. Максимум скорости наблюдается при толщине слоя 150-200 мкм. Под более тонкими слоями коррозия уменьшается из-за того, что происходит торможение анодной реакции, а при более толстых - катодной.

Степень увлажнения поверхности металла оказывает двойственное влияние. Под видимыми слоями воды (фазовыми) скорость коррозии металла выше, чем под адсорбционными, однако продукты коррозии обладают лучшими защитными свойствами.

Коррозионно-активные примеси, содержащиеся в воздухе, существенно влияют на скорость коррозии. Как отмечают большинство исследователей, наибольшую опасность для металлоконструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе, оказывают сернистый газ SO₂ и хлористый натрий NaCl. Сернистый газ содержится в большом количестве в промышленной атмосфере, Q районах добычи и переработки угля, а ионы хлористого натрия - в приморской атмосфере. Воздушными потоками они могут переноситься на десятки, а иногда и сотни километров от мест выделения их в атмосферу.

Механизм атмосферной коррозии в присутствии сернистого газа еще не окончательно выяснен. Разработано несколько возможных вариантов хода окислительно-восстановительных реакций. Дальнейшие исследования позволяют уточнить эти представления. При этом вполне возможно, что равновероятными окажутся несколько путей протекания коррозионного процесса. На основе экспериментальных работ установлено, что коррозия металла в присутствии сернистого газа протекает только во влажной атмосфере, скорость ее возрастает с увеличением концентрации SO, а коррозионный процесс носит незатухающий характер. В соответствии с этим было высказано предположение, что продукты реакции выступают в роли катализаторов, ускоряющих коррозионный процесс даже тогда, когда поступление SO₂ прекратилось и происходит только увлажнение поверхности. Иначе говоря, процесс коррозии протекает по автокаталитическому механизму.

Опытным путем было показано, что скорость коррозии в присутствии SO₂ существенно зависит от температуры. При температуре больше 0°С и низких концентрациях SO₂ скорость коррозии возрастает с ростом температуры и содержания SO₂. При больших толщинах водной пленки и высокой температуре (≥15° С) ускоряющее действие сернистого газа уменьшается. Если температура ниже 0°С, то скорость коррозии не зависит от концентрации сернистого газа и относительной влажности воздуха.

Повышенное содержание в воздухе SO₂ существенно сказалось на состоянии металлических опорных конструкций, эксплуатируемых на Донецкой и Приднепровской дорогах, где большое скопление металлургических и химических производств, а также тепловых электростанций, использующих местные угли. В этих условиях необходима повышенная защита металлических конструкций от внешней среды или применение для их изготовления специальных сталей.

Большую роль в ускорении коррозионных процессов играют также соли, содержащиеся в воздухе. Это в основном хлористые соли морской воды или соли, накапливающиеся на поверхности металла при песчаных бурях в местах засоленных почв.

При наличии ионов хлора в слое электролита происходит активизация анодного процесса. Хлористые соли облегчают адсорбцию водяных паров из воздуха. Отрицательное действие хлористых солей состоит в том, что образовавшиеся ранее продукты коррозии начинают растворяться с образованием хлоридов металла, которые обладают низкими защитными свойствами.

Наибольшее количество хлоридов содержится в воздухе прибрежной полосы. По мере удаления от нее скорость коррозии металла уменьшается.

Влияние температуры на коррозию металлов может быть двояким. С повышением температуры скорость коррозии должна возрастать, так как увеличивается скорость электрохимических реакций. Но в то же время с повышением температуры уменьшается длительность пребывания электролита на поверхности металла, а также уменьшается растворимость в нем кислорода и агрессивных газов. В целом зависимость получается сложная, но по экспериментальным данным все же с повышением температуры в интервале от +6 до +26° С скорость коррозии железа увеличивается. При отрицательной температуре атмосферная коррозия значительно замедляется. Скорость коррозии стали зимой примерно в 3 раза меньше, чем в осенние и летние месяцы. Она резко падает при температуре ниже -25° С, а при -45° С приближается к нулю. С понижением температуры атмосфера освобождается от механических загрязнений, коррозионно-активных газов, которые способствуют адсорбции воды.

С течением времени в средах, не содержащих агрессивных газов и солей или при низкой их концентрации, скорость коррозии металлов падает. Торможение процесса обусловливается не столько толщиной слоя продуктов коррозии, сколько их плотностью и электрохимической активностью. Торможение начинается тогда, когда образуются плотные продукты коррозии, затрудняющие доступ электролита к поверхности металла.

Условия образования слоев ржавчины на металле определяют силу сцепления между ними. Защитные свойства ржавчины зависят от ее внутренней структуры и способности образовывать прочную связь между слоями. Эти свойства тем выше, чем дольше металл подвергался ржавлению. Они определяются не толщиной слоя ржавчины, а процессом старения. Первоначально образовавшаяся ржавчина находится в высокодисперсном состоянии и содержит избыточную воду. С течением времени благодаря гидратации она становится более плотной. Состаренная ржавчина значительно уменьшает скорость коррозии, так как затрудняет доступ воды и деполяризатора к поверхности металла. В го же время продукты коррозии могут и ускорять коррозию, если на металле образуются рыхлые слои, которые адсорбируют из воздуха пары воды и различные коррозионноактивные газы, особенно сернистый газ. В этом случае ржавчина обладает плохой адгезией, часто отслаивается.

Защитные свойства ржавчины, образовавшейся в летний и зимний периоды, различны. При плюсовой температуре образуются плотные слои, а при минусовой - рыхлые. Выросшие зимой слои продуктов коррозии растрескиваются при повышении температуры из-за различия их деформативных свойств с основным металлом. Особенно интенсивно пленка продуктов коррозии рыхлится после таяния льда.

Наблюдение за эксплуатируемыми неокрашенными опорными конструкциями показывает, что скорость коррозии металла составляет на территории центральной части страны (включая районы Урала и Западной Сибири) примерно 0,015-0,02 мм/год. Повышенная скорость коррозии (0,05-0,06 мм/год) отмечается в районе Донбасса и прилегающих к нему районов, в приморских районах, и особенно на побережье вдоль Каспийского моря, в долинах Азербайджана (на засоленных территориях). Ежегодное уменьшение толщины конструктивных элементов (с учетом того, что коррозия одновременно идет с каждой стороны уголков) составляет на территории центральной части страны 0,03-0,04 мм/год, а в районах угледобычи и переработки угля, где повышенное содержание в воздухе SO₂, - 0,10-0,12 мм/год. Примерно такая же скорость коррозионного износа поясных уголков и раскосов отмечается у опор и ригелей, установленных вблизи водоемов с минерализованными водами. Эти данные близки, хотя и несколько ниже полученных в Академии наук СССР [11].

В условиях местного повышения влажности и концентрации агрессивных газов скорость коррозии больше указанных значений. Местное повышение агрессивности среды наблюдается у металлических опор на уровне заделки их в оголовки фундаментов, когда они засыпаны грунтом или солево-песчаными отложениями, а у ригелей жестких поперечин - над путями, по которым осуществляется тепловозная тяга. В этих местах коррозия протекает в 1,3-2 раза быстрее, чем на остальной части конструкций.

Из-за коррозии наиболее быстро выходят из строя раскосы как самые тонкие элементы конструкций (рис. 2.33).

Рис. 2.33 Элементы решетки в ригелях жестких поперечин, разрушенные под воздействием коррозии

К сожалению, этому не всегда придается должное внимание, хотя выключение их из работы представляет не меньшую опасность, чем ослабление поясов.

Протекающая в поверхностных слоях коррозия металла, как показали испытания И металлографические исследования, не оказывает существенного влияния на деформационнопрочностные свойства малоуглеродистой стали СтЗсп, из которой изготовляются опоры и ригели, а приводит лишь к уменьшению поперечных сечений элементов.

В целом следует отметить, что основные разрушения эксплуатируемых металлических опорных конструкций проявляются в коррозионном ослаблении сечений их элементов.