Механические Байки. Коррозия Металла

Была когда-то (а может и сейчас еще есть) рок-группа, но речь пойдет не о ней. А о тех конструкциях, которые подвержены коррозии. Примером таких конструкций, например, является мостовой кран-перегружатель. Стоит такая себе дура конструкция, бегает по рельсам тудыть-сюдыть, и все свое время жизни только и делает что перегружает что-то куда-то. В нашем случае речь идет об угле. Почему работа с углем, причем не только в шахтах, но и в кочегарных считается для человека вредной? Потому что воздух с угольной пылью не самый полезный воздух для наших легких. Но оказывается, что и металлическим конструкциям, типа крана, у которых нет дыхательных органов, подобные условия тоже не сахар. А им приходится работать в таких условиях многие лета.

За те годы, на которые он рассчитан ему и без коррозии станет похуже чем в начале жизни, а уж с учетом противной агрессивной вредной среды... А ведь пыль от перегружаемого угля никак пассивной или полезной не назовешь.

Чем интересна коррозия с механической точки зрения? Например тем, что несущая способность в конструкции уходит, а вес остается.  Только не все это учитывают. А если и учитывают, то зачастую далеко от жизни. Например,  многие почему-то считают, что ржавчина ничего не весит.  Ну да это пол беды. Когда считают конструкции, подверженные коррозии, то есть предельный уровень, до которого коррозия не сильно мешает конструкции жить, обычно этот уровень устанавливают процентов в 20. Причем делают так: посчитали конструкцию, потом толщины всех силовых элементов на 20% увеличили и хорошо.

Но так ли оно хорошо как кажется?

Не так. Начнем с того, что такое масштабирование не всегда приводит к увеличению запаса на 20%. Но впрочем про увеличение запаса тут речь и не идет, а идет о том что за N лет службы элементы конструкции уменьшат свою толщину на 20%. Только вот непонятно с какого перепугу, считается, что вся конструкция будет ржаветь синхронно во всех точках и с одинаковой скоростью.

Впрочем реальной конструкции об этом ее долге никто не докладывал, а по сему ведет она себя как ей вздумается. В итоге к концу контрольного срока оказывается что в среднем может 20% и есть, но ряд элементов слабо подверглись коррозии, а вот ряд изъеден в ноль. И если по расчетам конструкция еще способна исполнять свои функции, то в реальности как-то не очень.

Почему так? давайте рассмотрим на простом примере. В качестве исходного объекта я выберу простейшую конструкцию - консольно защемленную балочку нагруженную одноосным сжатием. Нравятся мне такие "сложные" конструкции - они наглядны. В данном случае будет рассмотрен вопрос влияния равномерности распределения коррозии по конструкции на ее же несущую способность. В рамках приведенной расчетной схемы, вопрос изменения/не изменения массы не принципиален, и будет исключен из числа факторов. Позже он будет рассмотрен отдельно.
Итак постановка: балка 10х20х100 (мм). Задача решается в 3D постановке в Autodesk Simulation (Algor). Жесткая заделка с одного конца балки, осевая нагрузка на сжатие с другого (1000 Н).

материал - сталь AISI E 52100 (2.1е11, 0.3, 7810). Количество элементов около 0.7k (настройки по умолчанию).

Рассматривается две задачи: 1. линейная статика, 2.  линейная устойчивость.

Результаты:

1. статика: перемещения – 2,4Е-4 мм; напряжения  - 2,6-5,6 МПа (в теории 5)

2. устойчивость: запас – 86,6

Можно было конечно подобрать более ответственную нагрузку, с большими числами, но нам важно качество изменения, а по сему и такой постановки достаточно. Также следует отметить, что по “классике” для одноосного стержня должно было получиться 5 МПа, без всяких вариантов.  Однако от классики текущая постановка немного отличается тем, что нижнее сечение не имеет возможности расширяться. Отсюда и возникли скачки. Этот эффект я рассмотрю в другой раз.

Теперь давайте посмотрим, что будет если наша конструкция будет посчитана с учетом равномерной коррозии на 20% по обоим размерам сечения (8х16х100 мм):

1. статика: перемещения – 3,7Е-4 мм; напряжения  - 4,1-8,6 МПа (в теории 7,8)

2. устойчивость: запас – 35,5

Сечение уменьшилось в 1.56 раз, и по линейному закону на эту же величину выросли и перемещения и напряжения. Тут как бы все четко. С устойчивостью хуже – она уменьшилась в 2.44 раза, т.е. даже в линейной постановке результат не всегда становится линейным. Впрочем в данном случае присутствует квадратичная зависимость, т.е. все в рамках теоретических допущений и можно верить классическим книгам. Ура товарищи!!!

А пот теперь, ниже пойдут некоторые варианты модификации конструкции для учета коррозии по более приближенным вариантам к жизни:

В месте заделки была вырезана четверть цилиндра с радиусом 4 мм, что соответствует 20% от 20мм. Ось цилиндра проходит через бывшее ребро балки. Как видно характеристики сетки похожи на предыдущие варианты. Для данной задачи сеточка грубовата, но в целом “покатит”.

Переходим к результатам:

1. статика: перемещения – 2,8Е-4 мм; напряжения  - 2,2-11,1 МПа (в теории 5 и 6,3)

2. устойчивость: запас – 84,5

Что можно сказать по данным результатам.Перемещения по величине максимума не сильно отличаются от первого варианта, что кажется хорошим результатом, но в то же время, если сравнить качественное распределение, становится ясно, что картины отличаются и существенно. В первом и втором случаях у нас одноосное сжатие, во втором – явно выраженный изгиб:

Что касается напряжений, то с учетом того, что площадь конструкции меняется от сечения 10х16мм до 10х20, напряжения в ней меняются от 6,3 до 5 МПа (если не учитывать что геометрия у нас с концентратором, и кроме простого сжатия у нас добавился изгиб). В среднем, вдали от выреза  5 МПа у нас и есть, но вот вблизи картина несколько иная. Причем не только количественно, но и снова качественно:

А вот с устойчивостью ситуация обратная – не смотря на видимую разницу картин:

мы имеем дело с одной и той же изгибной формой потери устойчивости (в данном случае просто знак смещений поменялся, что при расчете устойчивости проявляется нередко). При этом и значения коэффициента запаса практически не поменялся по сравнению с первой задачей:  84,5 и 86,6.

Почему практически не поменялись ни запас ни картина? Потому что данная форма устойчивости и величина запаса зависит практически полностью от глубины конструкции по оси 0Y. Вот если бы за счет коррозии ширина по оси 0X стала меньшей глубины по 0Y, вот тогда бы мы получили качественно другой результат Что, впрочем, тоже вполне возможно. Об этом речь пойдет ниже.

---

Итого, как можно увидеть, если учесть тот факт, что коррозия может быть неравномерной (а в жизни так и есть), то при этом можно получить принципиально отличные картины и цифры по напряжениям и деформациям. Как уже говорилось по жизни именно так и происходит и в итоге получается, что конструкция которая согласно расчетам должна еще "пахать и пахать", на деле начинает капризничать существенно раньше.
Что при этом следует отметить:

1. непонятно как учитывать неравномерность коррозии.
2. Относительность процента коррозии.

Если расположение место с коррозией так важно, и частичная коррозия может оказаться хуже чем равномерная, то встает вопрос как правильно учитывать коррозию.. Если у Вас есть конструкция, и Вы знаете места с коррозией и ее процент - то именно это и надо моделировать. Но это идеальный вариант. А если нужен прогноз? Тут хужее. Необходимо рассматривать детально все наиболее ответственные узлы, варьировать кучей параметров и в итоге задача превратится в "оптимизационную", но только все равно половина умозаключений именно ими и останется. Если известны условия эксплуатации, роза ветров и прочие составляющие можно просчитать наиболее вероятные места для коррозии. Только даже для одной конкретной конструкции все это уровень никак не обычных расчетов, а серьезных исследований, уровня хорошей кандидатской. Впрочем об этом речь пойдет позже.

Почему о проценте коррозии речь идет в относительных величинах, ведь она и так в процентах меряется? Так ведь тут какая ситуация... Впрочем проще привести примеры.
В свое время нашему коллективу пришлось столкнуться с расчетом подобных явлений. Заказчики были разные, но общие черты в задачах все же можно найти. Конструкции о которых идет речь работали уже не первый год, и ко всем были данные по экспертизе уровня коррозии. Вот только по одной конструкции наши расчеты ну никак не согласовывались с тем, что происходило по жизни. Это был один из первых случаев нашей работы с коррозией, и мы уже даже ушли от равномерного случая описанного во всех книгах и стандартах. Но все равно было много нестыковок. Наконец удалось пробить разрешение на посещение конструкции. И тут выяснилась интересная картинка. В соответствии с результатами экспертизы коррозия по конструкции не превышает 20%. Все бы ничего, если бы не одно уточнение - процент высчитывался не относительно локальных элементов, а глобально по всей конструкции. В реальности же, некоторые элементы были съедены практически в ноль. Я не знаю как там договаривались с людьми проводившими экспертизу, но они в общем-то не соврали, они просто взяли и своими формулировками "размазали" среднюю температуру по палате процент коррозии. И так места в которых было до 60% коррозии, после объединения в более крупные узлы превратились в 20% по узлу. Естественно, что у нас ничего не совпадало. Так вот если учесть подобные варианты, то 20% коррозии по нашей одноосной балке, может вполне превратиться в такой вариант:
рис.
В другом случае конструкция оказалась вполне под контролем и таких проблемных мест не было. Более того, исследуемая конструкция находилась под постоянным контролем коррозионистов, о чем имелось большое количество отчетов. И вот тут то собака и порылась.  Данные из таблиц оцифровывались и вкладывались в модель, чтобы получить изменение скорости коррозии по геометрии конструкции, сопоставить это дело с режимами работы и НДС. Делалось это все для того чтобы можно было составить прогноз по тому как конструкция должна себя вести в будущем. Поначалу ничего не выходило, потом оказалось что в некоторых местах по мере эксплуатации проводились модификации (наваривались дополнительные косынки, утолщения и пр) и все стало на свои места.
Заложили подобные изменения, но проблемы все равно остались. После таких проблем были распечатаны все отчеты и руками пошли смотреть где когда, что менялось и каков уровень коррозии в этих местах. После ручной проверки было выяснено, что даже в тех местах, в которых никто и ничего не предпринимал уровень коррозии от года к году пляшет... причем существенно. Так например в одном месте показатель коррозии плясал за год до 5% в обе стороны. Причем логике цифры не поддавались. То ли измеряли каждый раз в разных местах, то ли еще какая шутка... но факт остается фактом. Коррозия плясала от 7 до 17%.

Ладно, поехали дальше. При моделировании коррозии есть еще один пункт усложняющий работу расчетчика. По классическим книгам выходит, что коррозия может быть только поверхностной. По жизни бывает, что коррозия проявляется и внутри конструкции. На самом деле старые умные книги не врут - просто где-то появились трещины (или были непровары), вершины которых и стали инициаторами коррозии. И так уж вышло, что пошла коррозия не по стенкам трещины, в от вершины во все стороны. Дополнительно в данном месте концентрации зарождаются новые трещины, и процесс пошел. Снаружи все хорошо, а внутри... "кариес".

Также выше было сказано, что большинство не сильно заостряет внимание не том, что масса конструкции под действием коррозии не сильно меняется. Для демонстрации влияния данного факта геометрия из прошлых примеров (1 и 2), под действием ускорения свободного падения (вдоль оси У), для исходной конструкции, для конструкции с уменьшенным профилем, но без учета исходного веса и третий вариант - с учетом неизменности веса. Как говорится почувствуйте разницу.


В качестве дополнения приведу две фотографии сделанных человеком, известном в интернете под ником cyberkolbasa:

Оригинал фотографий лежит на dwg.ru

Напоследок, скажу, что речь о перегружателе  угля в самом начале публикации была отнюдь не случайной. Но об этом уже не сегодня.