Атмосферостойкие стали и проектирование с учётом атмосферной коррозии

Что такое атмосферостойкая сталь — и чем она не является

Атмосостойкая сталь как специально легированная низколегированная сталь

Атмосостойкая сталь — это не отдельная марка и не просто обычная конструкционная сталь, оставленная без окраски. Это семейство низкоуглеродистых низколегированных сталей, химический состав которых регулируют таким образом, чтобы изменить характер развития атмосферной коррозии. К числу традиционных легирующих добавок относятся медь, хром, никель, фосфор, кремний и марганец. Может применяться также молибден; кроме того, в исследованиях рассматривалось легирование вольфрамом, титаном, алюминием и редкоземельными элементами. В обзоре Федерального управления автомобильных дорог США за 2009 год Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo и P названы основными исторически применявшимися легирующими элементами.

Атмосферостойкая сталь приобретает обусловленную атмосферную коррозионную стойкость, а не становится полностью невосприимчивой к коррозии. Strong evidence

Электрохимическая коррозияЭлектрохимическая коррозия Коррозия, вызванная сопряженным анодным растворением металла и катодными реакциями через пленку электролита.

Эти добавки не останавливают электрохимическую коррозию. Они изменяют состав, структуру, адгезию и проницаемость слоя ржавчины, формирующегося при воздействии окружающей среды. При смачивании стали анодные участки выделяют железо в электролит, тогда как на катодных участках протекают реакции восстановления кислорода. Образующиеся продукты коррозии могут становиться относительно плотными и прочно сцепленными с поверхностью, замедляя дальнейший доступ воды и кислорода. Однако реакции продолжаются. Термин «атмосферостойкость» описывает характер коррозионного поведения, а не невосприимчивость к коррозии.

К распространённым обозначениям относятся ASTM A242/A242M для высокопрочной низколегированной конструкционной стали, ASTM A588/A588M для высокопрочной низколегированной конструкционной стали с повышенной стойкостью к атмосферной коррозии, а также мостовые стали ASTM A709/A709M, включающие атмосферостойкие марки, такие как Grade 50W и Grade HPS 50W, если это предусмотрено стандартом на материал и проектной документацией. Европейские атмосферостойкие конструкционные стали обозначаются согласно EN 10025-5; к ним относятся S355J0WP, S355J2WP, S355J0W и S355J2W. Суффикс и марка имеют значение: пределы химического состава, механические свойства, требования к свариваемости и состояние поставки нельзя считать взаимозаменяемыми лишь потому, что каждый такой продукт называется «атмосостойкой сталью».[1][1] Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration research publication, 2011.

Индексы коррозии ASTM G101, основанные на составе, являются инструментами предварительной или сравнительной оценки и не могут заменить оценку воздействия среды и конструктивных решений с учетом конкретного объекта. Limited evidence

[2][2] ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International. ASTM International standard, 2010.

Таким образом, состав сплава — лишь одна из составляющих проектного решения. ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки долгосрочных потерь металла вследствие атмосферной коррозии по данным более кратковременных экспозиций, а также оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии на основе её химического состава. Такой индекс является инструментом предварительной оценки, а не сертификатом пригодности для конкретного объекта. В исследовании FHWA, опубликованном в 2011 году, сообщалось, что значения коррозионного индекса ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились между 6 и 7; в рамках этого исследования рассматривались значения, близкие к 9,5 или превышающие их, для существенно более высокой стойкости в атмосферах, содержащих хлориды. Числовой показатель, основанный на химическом составе, не может полностью учесть, например, выступ моста, на котором скапливается влажный мусор, или фасад, подвергающийся воздействию соляных брызг.

Формирование патины в сравнении с нанесённым на заводе покрытием

Патина атмосферостойкой стали формируется на поверхности после изготовления и монтажа конструкции. Это не краска, не цинковое покрытие, не термически напыляемое покрытие и не нанесённая в цехе плёнка с фиксированной толщиной и гарантированной сплошностью. При наличии влаги первоначальная коррозия поверхности обычно протекает относительно быстро. При повторяющемся воздействии окружающей среды состав и структура продуктов коррозии изменяются, а часть слоя ржавчины становится более прочно сцепленной с поверхностью и менее проницаемой. Цвет может последовательно меняться от оранжевого и красно-коричневого до тёмно-коричневого и почти чёрного, однако один лишь цвет не доказывает, что стабилизация произошла.

В опубликованном в 2010 году вводном руководстве National Steel Bridge Alliance указано, что для формирования защитной патины необходимы повторяющиеся циклы смачивания и высыхания. Это требование имеет принципиальное значение. Дождь с последующим высыханием может способствовать формированию иного слоя ржавчины, чем непрерывная конденсация, застой воды или щель, из которой вода никогда не удаляется. Поверхность, защищённая от дождя, может оставаться загрязнённой и влажной, вместо того чтобы проходить необходимый цикл. И наоборот, частое промывание дождём не гарантирует защиты, если отложения удерживают хлориды или кислые загрязнители.

Формирование патины также требует времени, причём его продолжительность зависит от климата, ориентации, химического состава стали, состояния поверхности и уровня загрязнения. Окалина, остатки после изготовления, брызги металла при сварке и масла могут создавать локальные различия в смачивании и коррозии. Появление ржавых подтёков на соседнем бетоне, камне или окрашенной стали представляет собой отдельную проектную проблему: даже при ограниченной потере металла сток может вызвать необратимые визуальные повреждения. Заводское покрытие можно проверить на сплошность, задать его толщину в сухом состоянии и восстановить в местах выявленных дефектов. К патине нельзя применять те же допущения. Она формируется неравномерно, зависит от каждого стыка и водоотвода и может быть нарушена очисткой, абразивным воздействием или последующим ремонтом.

[3][3] Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. Steel Construction Institute. SCI Guidance Note 1.07, 2015.

Проектировщикам также следует различать устойчивую открытую поверхность и щелевую зону. Вода и мусор могут удерживаться в болтовых нахлёсточных соединениях, узких зазорах между рёбрами жёсткости, коробчатых элементах, накладках стыков, опорных площадках и карманах на нижней стороне конструкции. В Guidance Note 1.07, опубликованной Steel Construction Institute в 2015 году, в качестве непригодных или ограниченно допустимых областей применения неокрашенной атмосферостойкой стали указаны постоянно мокрые или влажные среды, воздействие высоких концентраций хлоридов или соляного тумана, концентрированные промышленные выбросы и заглублённые конструкции. Такие условия могут препятствовать переходу поверхности в состояние с более низкой скоростью коррозии или вызывать интенсивное локальное разрушение, несмотря на привлекательный общий цвет.

Стойкость к атмосферной коррозии в сравнении с невосприимчивостью к коррозии[4][4] ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Organization for Standardization. International Standard, 2012.

«Повышенная стойкость к атмосферной коррозии» — это условное эксплуатационное утверждение. Оно не означает, что сталь подходит для любых условий наружной эксплуатации или что потеря толщины становится незначительной. ISO 9223:2012 классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы по скоростям коррозии стандартных образцов за первый год и выделяет влияние температуры и влажности, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе как ключевые факторы. Классификация описывает атмосферу, но не превращает атмосферостойкую марку в универсально безопасный материал.[5][5] Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration guidance, 2003.

То же различие применимо и к выбору материала для проекта. Руководство FHWA от 2003 года требует учитывать особенности конкретного участка — продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленные загрязнители, водоотвод, геометрию и техническое обслуживание — до выбора неокрашенной атмосферостойкой стали. Сухой внутриконтинентальный участок со свободным отводом воды может обеспечивать предполагаемый характер коррозии. Этого нельзя гарантировать для прибрежной конструкции, подвергающейся воздействию соляного тумана, дорожной конструкции, над которой проносится противогололёдный рассол, или промышленного объекта с концентрированными выбросами. Повторяющееся смачивание необходимо для формирования патины, однако смачивание водой, содержащей хлориды, и постоянная влажность могут поддерживать активную коррозию и способствовать питтингу.

Точечная коррозия учитывается в приведенном подходе AASHTO путем отнесения основного металла атмосферостойкой стали без покрытия к категории усталости на одну ниже, чем у сопоставимой стали, не являющейся атмосферостойкой. Strong evidence

[6][6] Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration handbook, 2016.

Питтинг имеет значение не только с эстетической, но и с конструктивной точки зрения. В руководстве FHWA по усталостной прочности указано, что атмосферостойкая сталь формирует патину в результате чередования циклов увлажнения и высыхания; одновременно отмечается, что AASHTO относит основному металлу обычной неокрашенной атмосферостойкой стали одну категорию усталостной прочности ниже, чем сопоставимой неатмосферостойкой стали, из-за питтинга. Это понижение учитывает тот факт, что локальная коррозия может создавать концентрации напряжений даже при, казалось бы, небольшой средней потере сечения. Поэтому расчёты на усталость, сварные узлы, доступ для инспекции и припуски на коррозию должны оставаться частью конструктивного проектирования.

Правильное описание достаточно просто: поверхность неокрашенной атмосферостойкой стали представляет собой управляемую коррозионную систему. Химический состав сплава может способствовать формированию более защитного слоя ржавчины при подходящем атмосферном воздействии, однако реализация этого потенциала определяется водоотводом, вентиляцией, геометрией стыков, загрязнителями, контролем хлоридов, инспекцией и техническим обслуживанием. Это атмосферостойкая сталь, а не сталь, защищённая от коррозии, и не сталь с уже нанесённым на заводе постоянным покрытием.

Атмосферная коррозионная среда

Атмосферостойкая сталь не защищена от атмосферной коррозии. Это низкоуглеродистая низколегированная сталь, предназначенная для формирования сравнительно плотного и прочно сцепленного слоя ржавчины, если условия воздействия позволяют продуктам коррозии образовываться, высыхать и перестраиваться без постоянного смывания или непрерывного увлажнения. Медь, хром, никель, фосфор, кремний и другие легирующие добавки изменяют электрохимические реакции и структуру ржавчины, однако химический состав не может компенсировать любые условия воздействия.

ISO 9223:2012 устанавливает основную систему описания агрессивности атмосферы по отношению к металлам. В ней среды классифицируют по скорости коррозии стандартных образцов в течение первого года и выделяют три определяющих фактора: температурно-влажностный режим, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе. Эти факторы взаимодействуют с поверхностью стали. Поэтому одна и та же номинальная марка стали может демонстрировать различную скорость коррозии, цвет ржавчины, глубину питтинга и развитие патины в сельской местности вдали от моря, рядом с приливным эстуарием, под промышленным факелом выбросов или внутри защищенного узла моста.

Это различие имеет значение на этапе проектирования. Балка из атмосферостойкой стали, находящаяся в чистом воздухе, с обеспеченным стоком воды и регулярным высыханием, может сформировать стабильный защитный слой. Такая же номинально балка под негерметичным стыком элементов настила может продолжать активно корродировать в зазоре, тогда как открытые поверхности будут выглядеть уже стабилизировавшимися. Классификация атмосферной среды — это отправная точка, а не замена обследованию фактического участка и геометрии конструкции, определяющей удержание влаги.

Продолжительность увлажнения и повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания

Продолжительность увлажненияПродолжительность увлажнения Период, в течение которого поверхность металла остается покрытой достаточно проводящей пленкой влаги, поддерживающей атмосферную коррозию.

Для электрохимической коррозии необходим электролит. Дождь, туман, роса, конденсат и осевшие соли образуют такой электролит на поверхности стали. Период, в течение которого сохраняется достаточно проводящая поверхностная пленка, обычно называют продолжительностью увлажнения. Более длительные периоды увлажнения, как правило, позволяют протекать более интенсивному анодному растворению металла и катодному восстановлению кислорода, хотя эта зависимость не сводится к простому отсчету времени: концентрация солей, температура, поступление кислорода, загрязнение поверхности и проницаемость слоя ржавчины также изменяются в ходе воздействия.

Повторяющееся увлажнение и высыхание является необходимым условием среды для формирования защитной патины. Strong evidence

Высыхание — это не просто пауза в процессе коррозии. Для атмосферостойкой стали чередование влажных и сухих периодов способствует превращению первоначально рыхлых продуктов коррозии в более прочно сцепленную и менее проницаемую патину. В руководстве National Steel Bridge Alliance, опубликованном в 2010 году, указано, что для формирования защитной патины необходимы повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания. Во время увлажнения железо растворяется, а продукты коррозии осаждаются; во время высыхания слой ржавчины сжимается, дополнительно окисляется и может стать более плотным. Повторяющиеся циклы постепенно способны уменьшить скорость поступления воды и кислорода к стали.

Этот процесс нарушается, когда вода оказывается запертой. Горизонтальный выступ, плотный нахлест, засорившийся водоотвод, конец ребра жесткости, карман вокруг болта или герметизированный зазор могут оставаться влажными после высыхания окружающих поверхностей. Возникающая ячейка дифференциальной аэрации может вызывать локальное разрушение металла, а отложения хлоридов повышают проводимость электролита. Сток также может переносить воду, содержащую большое количество железа, на бетон, дорожные покрытия или архитектурные поверхности, вызывая появление пятен даже при умеренной потере сечения.

Поэтому история воздействия важнее одного лишь годового количества осадков. Короткие частые периоды дождя, за которыми следует высыхание, могут способствовать формированию патины. Длительное увлажнение может поддерживать активную коррозию. Циклическое осаждение и испарение солей особенно опасно, поскольку при испарении хлориды концентрируются на поверхности, а следующий влажный период вновь активирует концентрированный электролит.

В руководстве FHWA, опубликованном в 2003 году, перед выбором неокрашенной атмосферостойкой стали рекомендуется проводить оценку продолжительности увлажнения, воздействия хлоридов, промышленных загрязнителей, условий водоотвода, геометрии и технического обслуживания с учетом конкретного участка. Это требование имеет практический, а не бюрократический характер. В мосту, расположенном в сухом континентальном климате, могут существовать постоянно влажные микросреды, тогда как у влажной прибрежной конструкции открытые поверхности могут быстро высыхать, а защищенные стыки — оставаться влажными.

Температура, влажность и конденсация

Относительная влажность влияет на способность поверхностной пленки сохраняться. Когда воздух охлаждается до точки росы, на стали конденсируется вода, даже если дождя не было. Обычными причинами являются ночное охлаждение, затененные поверхности, замкнутые коробчатые сечения и холодный металл под воздействием теплого влажного воздуха. Поэтому поверхность может испытывать многочасовое увлажнение даже в месте, где выпадает мало измеримых осадков.

Температура влияет как на скорость реакций, так и на испарение воды. Более высокая температура часто ускоряет электрохимические реакции, но одновременно может сокращать продолжительность увлажнения за счет усиления испарения. Вблизи точки росы небольшое изменение температуры может вызвать конденсацию и продлить период существования электролита. Температура также изменяет растворимость кислорода, кристаллизацию солей, превращения ржавчины и вязкость или подвижность поверхностных пленок. ISO 9223:2012 учитывает эти эффекты в составе температурно-влажностного воздействия, а не рассматривает влажность как независимую гарантию определенной скорости коррозии.

Влажность приобретает большее значение при наличии растворимых загрязнителей. Гигроскопичные соли могут поглощать воду из воздуха при относительной влажности, ниже той, при которой чистая сталь оставалась бы сухой. Поэтому поверхность, содержащая хлорид натрия, хлорид магния или хлорид кальция, может сохранять электрохимическую активность в течение повторяющихся влажных периодов. Пыль и промышленные отложения способны оказывать аналогичное воздействие, особенно если они накапливаются на горизонтальных или защищенных поверхностях.

Развитие патины зависит от этого баланса. Для запуска и поддержания коррозионных реакций, формирующих слой ржавчины, необходима определенная влажность. Чрезмерное или постоянное увлажнение препятствует высыханию слоя и может сохранять электрохимическую активность пор и трещин. Плохая вентиляция усугубляет ситуацию, замедляя испарение. В документе SCI Guidance Note 1.07, выпущенном Steel Construction Institute в 2015 году, постоянно влажные или сырые среды определены как непригодные либо ограниченно пригодные для применения неокрашенной атмосферостойкой стали; к таким условиям также отнесены высокое воздействие хлоридов или соляного тумана, концентрированные промышленные выбросы и заглубленные конструкции.

Химический состав сплава по-прежнему имеет значение. В атмосферостойких сталях исторически использовали марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден и фосфор для влияния на продукты коррозии и их сцепление с основным металлом. В исследовании FHWA, опубликованном в 2009 году, также изучались добавки вольфрама, титана, алюминия и редкоземельных элементов. Однако легирующая добавка не может устранить конденсацию в коробчатом сечении или обеспечить осушение водяной ловушки. Условия среды и конструктивные решения остаются взаимосвязанными.

Диоксид серы, хлориды и соли в воздухе

Диоксид серы имеет важное значение, поскольку растворяется в поверхностной влаге и образует сернистые, а после окисления — сернокислотные соединения. Эти кислые пленки повышают проводимость и могут нарушать стабилизацию слоя ржавчины. Источники промышленного сжигания топлива исторически создавали среды с высоким содержанием диоксида серы, хотя выбросы значительно различаются в зависимости от региона и источника. Поверхность стали вблизи нефтеперерабатывающего завода, металлургического предприятия, электростанции или магистрали с интенсивным движением может получать загрязняющую нагрузку, не сопоставимую с нагрузкой, измеренной на расположенной поблизости сельской станции наблюдения.

Хлориды часто отличаются большей стойкостью и локальной агрессивностью. Морские брызги, разбивающиеся волны, переносимый ветром морской аэрозоль, противогололедные соли и загрязненный сток осаждают ионы хлорида на стали. Хлориды проникают в поры и дефекты ржавчины, способствуют локальному анодному растворению и делают высыхание менее защитным, поскольку гигроскопичные остатки вновь поглощают влагу. На осаждение влияют направление ветра, высота, расстояние до береговой линии, воздействие брызг и смывание дождем. Само по себе определение «прибрежная среда» недостаточно для описания условий воздействия: защищенный узел, в котором накапливается соль, может быть более агрессивным, чем полностью открытая поверхность, расположенная дальше от моря.

ISO 9223:2012 рассматривает содержание солей в воздухе как один из основных факторов агрессивности атмосферы, а при оценке участка следует учитывать как осаждение, так и удержание солей. В исследовании FHWA по усовершенствованным коррозионностойким сталям, опубликованном в 2011 году, сообщалось, что для большинства атмосферостойких сталей значения индекса коррозии по ASTM G101 находились между 6 и 7, тогда как целью исследования были значения около 9,5 и выше для существенно повышенной стойкости в хлоридсодержащих атмосферах. ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки долговременных потерь от атмосферной коррозии по данным кратковременных испытаний и оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии по химическому составу; этот стандарт не превращает индекс состава в гарантию невосприимчивости к коррозии.

Загрязнители и соли также влияют на последствия для конструкции. Питтинг создает концентрацию напряжений, а руководство FHWA по усталости поясняет, что AASHTO относит основной металл обычной неокрашенной атмосферостойкой стали к категории усталостной прочности на одну ступень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за образования питтинга. Поэтому при проектировании с учетом атмосферной коррозии необходимо связывать условия воздействия по ISO 9223, оценки на основе состава по ASTM G101, водоотвод и доступность для осмотра с конструктивными решениями, определяющими усталостную прочность. Номинально одинаковая сталь не подвергается воздействию одной и той же атмосферы. Ее фактическая коррозионная среда представляет собой сочетание климата, отложений, истории увлажнения и геометрии в каждом квадратном метре конструкции.

Как формируется патина на атмосферостойкой стали

Атмосостойкая сталь не поставляется с поверхностью, защищённой от коррозии. Её устойчивость к атмосферному воздействию формируется после начала эксплуатации, а результат зависит от химического состава стали, окружающего воздуха, а также от того, каким образом вода поступает на поверхность и покидает её. Такие марки, как ASTM A588, и марки атмосферостойкой стали, установленные стандартом ASTM A709, относятся к низкоуглеродистым низколегированным сталям и содержат целенаправленно введённые добавки, изменяющие формирование продуктов коррозии. В традиционных составах основное внимание уделяется Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo и P; исследования Федерального управления автомобильных дорог США также охватывали добавки W, Ti, Al и редкоземельных элементов.

Эти элементы не прекращают анодные и катодные реакции, составляющие основу атмосферной коррозии. Вместо этого при подходящих условиях воздействия они влияют на то, какие оксиды и оксигидроксиды образуются, насколько плотным становится слой ржавчины и насколько прочно он сохраняет сцепление с основным металлом. Поэтому патина представляет собой развивающийся продукт коррозии, а не нанесённое покрытие и не гарантию постоянной защиты.

Начальная коррозия и преобразование слоя ржавчины

На недавно изготовленной поверхности обычно присутствуют окалина, производственные загрязнения, оксиды, образовавшиеся при термической резке, или остатки от транспортировки и монтажа. Когда влага образует на открытой поверхности стали сплошной или почти сплошной электролит, локальные анодные участки выделяют ионы железа:

$$\mathrm{Fe}\to {\mathrm{Fe}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$$

Катодные реакции потребляют кислород и воду, образуя гидроксид-ионы. К ранним продуктам относятся плохо упорядоченные оксигидроксиды железа и гидратированные оксиды. Их внешний вид может изменяться от ярко-оранжевого или жёлто-коричневого до более тёмного красно-коричневого; при некоторых условиях воздействия появляются почти чёрные участки. Цвет не является надёжным показателем степени защиты. На тёмной поверхности под отложениями всё ещё может протекать активная точечная коррозия, тогда как более светлый слой может содержать относительно прочно сцепленные участки.

По мере продолжения воздействия первоначальная ржавчина многократно растворяется, осаждается вновь, обезвоживается и перестраивается. К распространённым продуктам коррозии относятся лепидокрокит, часто обозначаемый как γ-FeOOH, гётит, α-FeOOH, и магнетит, Fe₃O₄. Соотношение этих продуктов и их физическое расположение изменяются в зависимости от продолжительности увлажнения, доступа кислорода, загрязнений, температуры и содержания легирующих элементов в стали. Добавки в атмосферостойкой стали могут способствовать формированию более мелкодисперсного и компактного слоя коррозии по сравнению со слоем на обычной конструкционной углеродистой стали, однако они не могут обеспечить одинаковую минеральную структуру на каждом участке.

Стабилизация патиныСтабилизация патины Состояние, при котором слой ржавчины и окружающая среда обеспечивают относительно постоянную, обычно более низкую, скорость коррозии в течение определенного периода; это не означает прекращения коррозии.

Различие имеет значение непосредственно на поверхности стали. Рыхлый, растрескавшийся или плохо сцепленный слой позволяет воде и кислороду многократно достигать свежего металла. Более плотный слой ограничивает перенос веществ и уменьшает площадь легкодоступного металла, поэтому скорость коррозии может снижаться. Это изменение условий протекания реакций, а не превращение поверхности в непроницаемый барьер. В трещинах, местах ударных повреждений, на кромках реза, в щелях и на участках под скопившимся мусором коррозия может продолжаться даже тогда, когда прилегающие открытые поверхности выглядят сформировавшимися.

ASTM G101-04(2010) учитывает такую зависимость от времени, предлагая методы оценки долгосрочных потерь металла вследствие атмосферной коррозии по данным кратковременных испытаний, а также методы оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии по её химическому составу. Применение этого стандарта не отменяет необходимости учитывать конкретные условия эксплуатации. Химический состав может указывать на определённую тенденцию, но сам по себе не способен учесть негерметичный стык, отложение хлоридов или постоянно влажную нижнюю поверхность.

Попеременное увлажнение и высыхание

Патина формируется в результате повторяющихся циклов. Во влажный период дождь, конденсат, брызги или осевшая влага создают электролит. Перенос ионов и восстановление кислорода поддерживают коррозию, а растворимые соединения железа могут перемещаться в пределах влажного слоя. Во время высыхания испарение повышает концентрацию оставшихся солей и изменяет доступ кислорода. Одни продукты осаждаются в порах и дефектах, другие смываются. Такое повторяющееся растворение и осаждение способствует преобразованию первоначально рыхлого отложения ржавчины в более структурированный слой, если условия воздействия являются подходящими.

Слово «попеременное» имеет важное значение. Поверхность, которая остаётся постоянно влажной, не проходит те же стадии высыхания, которые способствуют уплотнению слоя коррозии. В Руководстве 1.07 Института строительства из стали указано, что постоянно мокрые или влажные условия, воздействие высоких концентраций хлоридов или соляного тумана, концентрированных промышленных выбросов и условия под землёй являются непригодными либо ограничивающими для применения атмосферостойкой стали без покрытия. Национальный альянс стальных мостов также отмечает, что для формирования защитной патины необходимы повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания.

Высыхание не означает, что коррозия прекращается навсегда. После того как поверхность кажется сухой, в порах, стыках и неровных участках могут сохраняться тонкие плёнки влаги. Хлориды способны притягивать влагу и увеличивать продолжительность увлажнения, позволяя коррозии возобновляться при более низкой относительной влажности, чем на чистой поверхности. Диоксид серы и другие промышленные загрязнители могут подкислять поверхностную влагу или образовывать отложения, изменяющие коррозионные реакции. ISO 9223:2012 классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы по скорости коррозии стандартных образцов за первый год и выделяет температурно-влажностные воздействия, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе как основные факторы окружающей среды. Эти переменные помогают объяснить, почему две конструкции, изготовленные из стали одной и той же марки, могут иметь заметно различающиеся слои ржавчины.

Геометрия в такой же степени, как и климат, определяет цикл увлажнения и высыхания. На горизонтальных выступах, накладках стыков, у рёбер жёсткости, в зазорах, болтовых соединениях и частично герметизированных полостях могут задерживаться вода и осадок. Защищённая поверхность может высыхать медленно, тогда как поверхность, обращённая к ветру, подвергается кратковременному воздействию дождя и быстро испаряет влагу. Сток с одной стальной поверхности может переносить богатую железом воду на другую, создавая пятна, но не обязательно обеспечивая эквивалентную защиту. Сток с бетонных или оцинкованных элементов, а также с загрязнённых поверхностей может вносить вещества, изменяющие локальный процесс коррозии.

Поэтому руководства FHWA требуют до выбора атмосферостойкой стали без покрытия оценивать продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленные загрязнители, водоотвод, геометрию и техническое обслуживание. Нельзя предполагать, что патина, сформировавшаяся на хорошо дренируемой балке моста, будет таким же образом формироваться под негерметичным стыком настила или внутри соединения, заполненного мусором.

Стабилизация патины и коррозия в установившемся режиме

Термин «стабилизированная» не означает, что коррозия прекратилась. Он описывает состояние, при котором слой ржавчины и окружающая среда в течение определённого периода обеспечивают относительно постоянную, обычно более низкую, скорость коррозии. Слой может продолжать утолщаться, растрескиваться, уплотняться и изменять минеральную форму, в то время как средняя потеря металла приближается к установившейся тенденции. Время стабилизации не является универсальной величиной. Оно зависит от химического состава сплава, подготовки поверхности, ориентации, количества осадков, влажности, загрязнения, солёности, температуры, водоотвода и частоты циклов увлажнения и высыхания.

В обзорах атмосферной коррозии особое внимание уделяется различию между временем стабилизации и скоростью коррозии в установившемся режиме. Кратковременные испытания могут охватывать агрессивную начальную стадию, до перестройки слоя ржавчины. Они также могут совпасть с необычно влажным сезоном или временным выбросом загрязнителей. Поэтому модели долгосрочного прогнозирования должны отделять переходную коррозию от последующей скорости и указывать условия воздействия, на которых основан прогноз. ASTM G101-04(2010) предоставляет методы оценки, однако при существенных последствиях недооценки потерь металла необходимы натурные обследования.

Химический состав сплава отчасти определяет предельно достижимые эксплуатационные характеристики. В исследовании FHWA по улучшенной коррозионностойкой стали, опубликованном в 2011 году, сообщается, что значения коррозионного индекса ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как целью исследования были значения около 9,5 или выше для существенно повышенной стойкости в атмосферах, содержащих хлориды. Этот результат не устанавливает срок службы, не зависящий от условий конкретного объекта; он показывает, почему важны индексы, основанные на химическом составе, и испытания в средах с хлоридами.

Зрелая на вид патина также не отменяет требований к конструктивному проектированию. Точечная коррозия вызывает локальное уменьшение сечения и концентрацию напряжений. В руководстве FHWA по усталостной прочности указано, что AASHTO относит основной металл обычной атмосферостойкой стали без покрытия к категории усталостной прочности на один уровень ниже, чем сопоставимую неатмосмостойкую сталь, из-за точечной коррозии. Поэтому при обследовании необходимо проверять места задержки воды, щели, кромки, зоны крепёжных элементов и участки, где ржавый налёт или мусор скрывают сталь. Если увлажнение остаётся постоянным, хлориды накапливаются или водоотвод нарушен, ожидаемая более низкая скорость коррозии в установившемся режиме может так и не сформироваться. Патина обеспечивает защиту только как обусловленный результат совместимого химического состава, воздействия окружающей среды и конструктивных решений, а не как автоматическое постоянное покрытие.

Химический состав сплава и механизмы коррозии

Атмосферостойкая сталь — это низкоуглеродистая низколегированная сталь, эксплуатационные характеристики которой в атмосферных условиях зависят от ржавчинного слоя, формирующегося после воздействия окружающей среды. Этот слой не является покрытием, нанесённым на заводе, и не делает основной металл невосприимчивым к коррозии. В подходящих условиях продукты коррозии становятся относительно плотными, прочно сцепленными с поверхностью и менее проницаемыми, чем рыхлая ржавчина, образующаяся на обычной углеродистой стали. Результатом является более низкая долгосрочная скорость коррозии, а не полное отсутствие коррозии.

Химический состав сплава влияет на состав, структуру и адгезию этого ржавчинного слоя, однако химический состав нельзя рассматривать отдельно от условий воздействия. ISO 9223:2012 классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы с использованием скоростей коррозии стандартных образцов за первый год и определяет температуру и влажность, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе как основные факторы воздействия. Сталь, стабилизировавшаяся в сельской атмосфере, может продолжать терять сечение в зоне воздействия морских брызг, под слоем мусора или внутри соединения, которое постоянно остаётся влажным.

Традиционные легирующие элементы: Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo и P

Традиционный подход к производству атмосферостойкой стали предусматривает сочетание нескольких легирующих добавок в умеренных количествах, а не опору на один элемент. В исследованиях FHWA традиционно рассматриваются марганец (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), медь (Cu), молибден (Mo) и фосфор (P). Их воздействие взаимосвязано с чистотой стали, ликвацией, образованием фаз и химическим составом продуктов коррозии.

Марганец обычно присутствует как добавка, повышающая прочность и улучшающая технологичность, а также связывает серу в виде включений сульфида марганца. Такие включения могут влиять на локальную электрохимическую активность и питтинговую коррозию, особенно если их форма и распределение неблагоприятны. Кремний действует главным образом как раскислитель и способствует повышению прочности; он также может влиять на кремнийсодержащие компоненты и плотность продуктов коррозии. Ни один из этих элементов, рассматриваемый отдельно, не позволяет предсказать, сформирует ли балка моста устойчивую патину.

Хром связывают с образованием более плотных и менее растворимых продуктов коррозии; он может способствовать обогащению защитными оксидными или оксигидроксидными фазами границы раздела стали и ржавчины. Его воздействие зависит от концентрации и условий окружающей среды. Никель особенно важен во многих составах атмосферостойких сталей, поскольку он может повышать стойкость в атмосферных условиях, не вызывая тех же неблагоприятных проблем со свариваемостью или охрупчиванием, которые могут сопровождать чрезмерное содержание некоторых других легирующих элементов. В условиях, содержащих хлориды, никельсодержащие стали изучались с точки зрения их способности снижать интенсивность локального разрушения и изменять состав ржавчинного слоя.

Медь является характерной легирующей добавкой для атмосферостойких сталей. По мере развития коррозии она обычно концентрируется вблизи границы металл—ржавчина и может способствовать формированию более прочно сцепленного и менее проницаемого слоя. Медь не предотвращает начальную стадию окисления: влага по-прежнему вызывает анодное растворение железа. Её вклад становится существенным по мере накопления продуктов коррозии и изменения их структуры в результате повторяющихся циклов увлажнения и высыхания.

Молибден может повышать стойкость к локальной коррозии, включая разрушение, связанное с хлоридами, воздействуя на оксигидроксиды железа и химический состав питтингов. Однако он не гарантирует защиту от питтинговой коррозии там, где отложения солей остаются влажными. Фосфор исторически применялся в некоторых атмосферостойких сталях, поскольку он может повышать стойкость к атмосферной коррозии и способствовать формированию плотного ржавчинного слоя. Однако высокое содержание фосфора может ухудшать вязкость, свариваемость или характеристики разрушения, поэтому его допустимое количество ограничивается требованиями стандарта на сталь и проектными требованиями.

Таким образом, механизм имеет последовательный характер. Во время увлажнения плёнка электролита обеспечивает растворение железа и катодное восстановление кислорода. Во время высыхания растворённые ионы концентрируются, продукты коррозии претерпевают превращения, а ржавчина может становиться менее электропроводной и менее проницаемой. Легирование изменяет скорость и продукты этих реакций. Повторяющиеся циклы имеют решающее значение: National Steel Bridge Alliance указывает, что для формирования защитной патины необходимы увлажнение и высыхание, тогда как постоянно влажная сталь может продолжать активно корродировать, поскольку ржавчина не проходит необходимую для стабилизации стадию высыхания.

Это различие также влияет на усталостную прочность. Питтинги являются концентраторами напряжений даже при умеренной средней потере металла. В руководстве FHWA по усталостной прочности указано, что AASHTO относит нелегированный атмосферостойкий основной металл без покрытия к категории усталостной прочности на одну ступень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за питтинговой коррозии. Химический состав сплава может уменьшить коррозионные повреждения, но не устраняет необходимость проверять усталостные детали, контролировать питтинги и предотвращать скопление воды в сварных швах, соединениях и у кромок полок.

Исследования перспективных добавок W, Ti, Al и редкоземельных элементов

В исследованиях изучалось применение вольфрама (W), титана (Ti), алюминия (Al) и редкоземельных добавок для изменения зарождения ржавчинного слоя, переноса ионов и развития питтингов. Эти исследования не устанавливают универсальной замены традиционному составу атмосферостойкой стали. Каждая добавка может влиять не только на коррозию, но также на включения, выделение фаз, поведение при сварке, вязкость и производственную технологию.

Вольфрам изучался с точки зрения его возможного вклада в формирование более плотного и химически стабильного ржавчинного слоя, особенно при воздействии хлоридов. Титан может измельчать зерно и образовывать стабильные частицы карбидов, нитридов или карбонитридов; такое измельчение может влиять на равномерность коррозии, хотя плохо контролируемые включения способны создавать локальные электрохимические гальванические пары. Алюминий может изменять продукты раскисления и химический состав оксидов. Редкоземельные элементы могут изменять форму и распределение включений, повышать чистоту стали или влиять на сцепление и морфологию продуктов коррозии. Их воздействие в значительной степени зависит от конкретного элемента, его концентрации и технологического маршрута производства.

Программа FHWA по разработке стали с повышенной коррозионной стойкостью чётко проводит практическое различие. Традиционная атмосферостойкая сталь создавалась на основе Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo и P, тогда как в последующих исследованиях изучались добавки W, Ti, Al и редкоземельных элементов для повышения характеристик в атмосферах, содержащих хлориды. В 2011 году FHWA сообщило, что значения индекса коррозии по ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как в исследованиях ставилась цель достичь значений около 9,5 или выше. Этот показатель является исследовательским критерием существенно повышенной стойкости к воздействию хлоридов, а не универсальным порогом, доказывающим пригодность незащищённого элемента на любом прибрежном объекте или объекте, где применяются противогололёдные соли.

Это различие важно, поскольку традиционный химический состав атмосферостойкой стали и исследования стали с повышенной коррозионной стойкостью ориентированы на разные пределы воздействия. Руководство FHWA по выбору места установки требует оценивать продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленные загрязнители, дренаж, геометрию и техническое обслуживание. SCI Guidance Note 1.07, опубликованное в 2015 году, относит постоянно влажные или сырые среды, интенсивное воздействие хлоридов или соляного тумана, концентрированные промышленные выбросы и заглублённые конструкции к непригодным или ограниченно допустимым областям применения незащищённой атмосферостойкой стали. Ни одна легирующая добавка не компенсирует конструктивную деталь, в которой вода и дорожная соль бесконечно задерживаются.

Индексы коррозии на основе химического состава по ASTM G101

ASTM G101-04(2010) предусматривает методику оценивания с двумя различными областями применения: оценивание долгосрочных потерь металла вследствие атмосферной коррозии по данным краткосрочных испытаний и оценивание относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии по её химическому составу. Индекс коррозии на основе состава преобразует заданное содержание легирующих элементов в эмпирический показатель, предназначенный для сравнения различных сталей. Это не является прямым расчётом срока службы элемента моста.

Индекс полезен тем, что связывает химический состав с измеримым ожидаемым результатом. Более высокое значение, как правило, указывает на более высокую стойкость к атмосферной коррозии в пределах диапазона и условий, для которых была разработана соответствующая зависимость. Значения FHWA — приблизительно от 6 до 7 для большинства существующих атмосферостойких сталей и около 9,5 или выше для исследованных составов, стойких к воздействию хлоридов, — показывают, каким образом индекс может использоваться при разработке сплавов. Они не означают, что любая сталь со значением выше 9,5 сформирует устойчивую патину в заполненной солью щели, равно как и не означают, что любая сталь со значением ниже 9,5 разрушится в сухой континентальной атмосфере.

ASTM G101 также имеет ограничения, обусловленные используемыми исходными данными. Химический состав не описывает пути стока воды, геометрию щелей, отложения, продолжительность высыхания, концентрацию диоксида серы, воздействие брызг или техническое обслуживание. Он не может учитывать нижнюю поверхность полки, которая остаётся влажной из-за негерметичного деформационного шва. ISO 9223:2012 устанавливает систему оценки коррозионной агрессивности атмосферы, тогда как руководства FHWA определяют вопросы, связанные с местом установки и конструктивными деталями; ни один из этих документов не допускает замены оценки условий воздействия анализом химического состава.

Для сталей, используемых в мостовом строительстве, требования к материалу по-прежнему имеют значение. ASTM A709/A709M распространяется на конструкционные стали для мостов, включая марки атмосферостойкой стали, тогда как расчётные проверки должны учитывать потерю сечения, соединения, сварные швы, вязкость разрушения и усталостную прочность. Правильный вывод из ASTM G101 является ограниченным, но полезным: химический состав сплава может повышать или снижать вероятность стабилизации ржавчинного слоя и может использоваться для сравнения различных составов-кандидатов. Патина всё же должна сформироваться в результате подходящих циклов увлажнения и высыхания, сохраняться в условиях защиты от постоянного загрязнения и подтверждаться результатами осмотров.

ASTM G101 и пределы прогнозирования на основе состава

ASTM G101-04(2010) рассматривает две связанные, но различные задачи. Стандарт содержит методы оценки долгосрочных потерь от атмосферной коррозии по данным кратковременных испытаний, а также метод оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии по ее химическому составу. Ни один из этих методов не преобразует обозначение стали в гарантированное значение срока службы.

Это различие имеет значение для атмосферостойких сталей, таких как ASTM A588, а также для марок атмосферостойкой стали, охватываемых ASTM A709. Их стойкость зависит от формирования и сохранения относительно плотного, прочно сцепленного слоя ржавчины. Сплав не становится невосприимчивым к коррозии, а патина не является постоянным покрытием, сохраняющим защитные свойства при любых условиях эксплуатации. ASTM G101 может служить основой инженерной оценки, но не может заменить характеристику объекта, проверку конструктивных решений, испытания в условиях воздействия среды или планирование инспекций.

Оценка долгосрочных потерь по кратковременным испытаниям

Кратковременное воздействие может стать отправной точкой для оценки более длительного коррозионного процесса, однако результат зависит от того, насколько такое воздействие отражает окружающую среду и стадию коррозии, которая моделируется. На ранней стадии коррозия может протекать сравнительно быстро, пока поверхность неоднократно увлажняется, высыхает, покрывается ржавчиной и теряет рыхлые продукты коррозии. Позднее скорость коррозии может снизиться по мере формирования более стабильного слоя ржавчины. Переход между этими стадиями не происходит мгновенно и неодинаков для разных объектов.

Поэтому ASTM G101 рассматривает долгосрочные потери как задачу оценки на основе данных об условиях воздействия и характере коррозии, а не как фиксированный пересчет месяцев в десятилетия. Кратковременное измерение потери массы на открыто расположенной панели может мало сказать о накладке мостового стыка, которая остается влажной под негерметичным соединением. Испытательный стенд с хорошей циркуляцией воздуха также может дать результат, отличный от результата для полки балки, покрытой птичьим пометом, дорожной пылью или накопившимися солями.

Неопределенность возрастает, если период воздействия не включает важные сезонные условия. Противогололедная соль зимой, конденсация летом, морской аэрозоль и промышленные выбросы могут вызывать коррозионные процессы, которые не будут зафиксированы в ходе кратковременной кампании. И наоборот, сильно загрязненный период строительства может завысить долгосрочное среднее значение, если такое загрязнение не характерно для обычной эксплуатации.

ISO 9223:2012 устанавливает общую систему оценки коррозионной агрессивности атмосферы. В стандарте используются категории, основанные на скоростях коррозии стандартных образцов в первый год; также выделяются влияние температуры и влажности, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе как ключевые факторы. Эти категории описывают атмосферу, а не точные потери металла конкретного элемента из атмосферостойкой стали. Категория среды может использоваться при выборе материала, однако местные щели, уступы и пути стока воды способны создавать микросреды, более агрессивные, чем предполагает номинальная классификация.

Поэтому долгосрочное прогнозирование по возможности должно учитывать данные о воздействии, сопоставимые коррозионные данные и фактическую геометрию элемента. Испытания образцов-свидетелей могут повысить достоверность оценки, особенно в необычных промышленных, прибрежных условиях или условиях воздействия противогололедных солей. Даже в этом случае измеренная потеря сечения является лишь частью проектной задачи. Питтинг, обнажение слоистых дефектов, увеличение диаметра отверстий под болты и надрезы, чувствительные к усталости, могут стать определяющими еще до того, как средняя потеря толщины достигнет значительной величины.

Относительная коррозионная стойкость по химическому составу

Метод определения состава, приведенный в ASTM G101, рассчитывает индекс коррозии на основе заданных легирующих элементов. Этот индекс имеет сравнительный характер. Он помогает оценить, как одна низколегированная сталь может вести себя относительно другой при атмосферном воздействии; он не прогнозирует скорость коррозии конкретного объекта в миллиметрах в год с точностью, присущей модели, учитывающей условия данного объекта.

Традиционный химический состав атмосферостойких сталей ориентирован на марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден и фосфор. Эти элементы влияют на слой ржавчины, электрохимические реакции и тенденцию продуктов коррозии становиться менее пористыми и более прочно сцепленными с поверхностью. В исследовании коррозионно-стойких сталей, проведенном Federal Highway Administration в 2009 году, также изучались добавки вольфрама, титана, алюминия и редкоземельных элементов. Это исследование отражает важный принцип: состав можно целенаправленно изменять для повышения стойкости, однако индекс является лишь косвенным показателем фактически реализующегося механизма коррозии.

В 2011 году Federal Highway Administration сообщила, что значения индекса коррозии ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как в исследовании ставилась цель получить значения около 9,5 или выше для существенного повышения стойкости в атмосферах, содержащих хлориды. Эти показатели полезны для сравнения вариантов химического состава. Они не означают, что индекс 9,5 гарантирует приемлемую работу стали без покрытия рядом с дорогой, где используются соли, или что сталь с индексом 6 выйдет из строя на любом удаленном от побережья объекте.

Более высокий индекс может указывать на более благоприятное соотношение легирующих элементов, однако состав не описывает загрязнение поверхности, зоны сварных швов, состояние прокатной окалины, сток воды или продолжительность увлажнения. Он также не отражает всех взаимодействий между легирующими элементами и атмосферой. Две плавки, соответствующие одним и тем же пределам марки, могут демонстрировать различное формирование слоя ржавчины вследствие незначительных различий в составе, истории обработки, подготовки поверхности и ориентации при воздействии среды.

Индекс необходимо также отличать от обозначения марки. ASTM A588 устанавливает требования к атмосферостойкой стали как к изделию, включая заданные химические и механические характеристики; он не гарантирует единую кривую потери металла от коррозии для всех условий эксплуатации. ASTM A709 включает марки мостовых сталей и связанные с ними требования, однако выбор соответствующей требованиям марки не отменяет необходимости оценивать условия воздействия и конструктивные детали. Соответствие материала требованиям является необходимым условием для применения указанной стали, но не заменяет проектирование с учетом коррозии.

Почему условия воздействия по-прежнему определяют результат

Для формирования защитной патины атмосферостойкой стали необходимы чередующиеся увлажнение и высыхание. Если поверхность остается постоянно влажной, продукты коррозии могут сохранять пористость и активность вместо стабилизации. SCI Guidance Note 1.07 относит постоянно мокрые или влажные среды, интенсивное воздействие хлоридов или соляного тумана, концентрированные промышленные выбросы и заглубленные условия к неподходящим либо ограниченно допустимым областям применения атмосферостойкой стали без покрытия. Такие условия могут свести на нет преимущество, на которое указывает благоприятный индекс состава.

Хлориды особенно опасны, поскольку способны концентрироваться в отложениях и разрушать защитные слои ржавчины. Морские брызги, противогололедная соль, переносимая транспортными средствами, негерметичные стыки проезжей части и загрязненный сток могут создавать жесткие локальные условия воздействия даже там, где общая атмосферная среда кажется умеренной. Диоксид серы и другие промышленные загрязнители могут повышать кислотность электролита или изменять химический состав ржавчины. Защищенные от прямого воздействия поверхности могут корродировать быстрее открытых, поскольку они меньше промываются дождем и медленнее высыхают.

Дренаж и геометрия часто определяют, сможет ли патина стабилизироваться. Водяные ловушки у накладок стыков, концов ребер жесткости, полостей соединений, негерметичных нахлестов и горизонтальных уступов создают повторяющееся или непрерывное увлажнение. Мусор удерживает влагу и хлориды. Плохая вентиляция под настилом или внутри коробчатых сечений приводит к тому же результату. Конструктивные детали должны отводить воду от стали, а не позволять ей стекать по чувствительному соединению и скапливаться ниже него.

Последствия для проектирования выходят за рамки средней потери металла от атмосферной коррозии. Питтинг создает концентрацию напряжений, а рекомендации FHWA по усталости указывают, что AASHTO относит основной металл обычной атмосферостойкой стали без покрытия к категории усталости на один уровень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за питтинга. Поэтому конструкции может потребоваться оценка усталости даже в том случае, если расчетная общая потеря металла от коррозии кажется небольшой.

ASTM G101 имеет высокую ценность, если рассматривать его результат как доказательную информацию, а не как гарантию. Обоснованное решение должно объединять индекс состава с данными ISO 9223 об атмосферных условиях, оценкой воздействия хлоридов и загрязнителей, продолжительностью увлажнения, анализом дренажа, геометрией, возможностью технического обслуживания и положениями об инспекциях. Если эти условия не обеспечивают чередующегося высыхания и стабильного формирования слоя ржавчины, независимо от расчетного индекса стали могут потребоваться окраска, защита от воздействия среды или иная мера защиты от коррозии.

Классы коррозионной агрессивности по ISO 9223 при принятии проектных решений

ISO 9223:2012 устанавливает общий язык для описания атмосферной коррозионной агрессивности, однако не является сертификатом допуска для незащищённой атмосферостойкой стали. Стандарт классифицирует атмосферу по скорости коррозии стандартных образцов в течение первого года и сопоставляет этот результат с параметрами окружающей среды, прежде всего с температурой и относительной влажностью, загрязнением диоксидом серы и содержанием солей в воздухе. Эти показатели характеризуют агрессивность атмосферы по отношению к эталонным металлам. Сами по себе они не позволяют предсказать состояние каждого сплава, соединения, щели, сварного шва или элемента водоотвода в конструкции.

Скорости коррозии стандартных образцов в течение первого года

Верхняя граница скорости коррозии в первый год (мкм/год)

Для стандартных образцов из обычной углеродистой стали ISO 9223:2012 устанавливает следующие диапазоны скорости коррозии в течение первого года:

Эти значения являются классификационными пределами, а не гарантированными потерями толщины конструкционной стали за весь срок службы. Первый год также представляет собой особый период. Не защищённая покрытием сталь обычно корродирует быстрее в начале эксплуатации, пока формируется слой ржавчины, изменяющий доступ кислорода, воды и загрязняющих веществ к поверхности металла. Атмосферостойкая сталь предназначена для образования относительно плотного и прочно сцепленного коррозионного слоя, поэтому её последующая скорость коррозии может существенно отличаться от скорости коррозии эталонного образца из обычной углеродистой стали.

Это различие не делает класс ISO несущественным. Он устанавливает исходную характеристику окружающей среды. Например, атмосфера класса C3 автоматически не является непригодной для атмосферостойкой стали, однако требует иной оценки по сравнению с атмосферой класса C2 во внутренних районах. Аналогично, классификация CX указывает на условия, в которых отложение хлоридов, морской аэрозоль, продолжительное увлажнение или агрессивное промышленное загрязнение могут препятствовать стабилизации коррозионного слоя.

ISO 9223 использует поведение стандартизированных образцов наряду с результатами измерений и оценок параметров окружающей среды. На практике для участка может быть первоначально установлен класс на основе температурно-влажностных условий и данных о загрязнении, а затем определена более высокая или низкая практическая степень агрессивности с учётом местных особенностей воздействия. Поверхности, защищённые от прямого воздействия, нижние стороны элементов и места вблизи дорог могут подвергаться более разрушительному микроклимату, чем открытая испытательная установка. Зона, подверженная воздействию брызг с высоким содержанием хлоридов, может оставаться агрессивной даже в случае, когда широкая региональная классификация указывает на умеренную агрессивность.

Поэтому стандартные значения следует рассматривать как атмосферный ориентир. Они не заменяют измерение отложений, обследование сопоставимых конструкций или анализ предполагаемой геометрии.

Использование классификации коррозионной агрессивности в качестве исходного параметра

Класс полезен на этапе предварительной оценки. Он помогает установить, заслуживает ли концепция незащищённой атмосферостойкой стали дальнейшего рассмотрения, следует ли с самого начала предусмотреть систему защитного покрытия и требуются ли проектной группе данные о воздействии на конкретном участке. Класс следует фиксировать с указанием источника и основания классификации: измеренной скорости коррозии, климатического расчёта, данных о загрязнении, расстояния до моря или инженерной оценки.

Сам по себе класс не может решить, допустимо ли применение незащищённой атмосферостойкой стали. Руководство Federal Highway Administration требует оценить продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленных загрязнителей, водоотвод, геометрию и техническое обслуживание до выбора незащищённой атмосферостойкой стали. Этот перечень важен, поскольку патина зависит от чередования циклов увлажнения и высыхания. National Steel Bridge Alliance указывает, что для формирования защитной патины необходимо повторяющееся увлажнение и высыхание. Поверхность, которая остаётся влажной под протекающим стыком, может продолжать корродировать даже в номинально умеренной атмосфере.

При рассмотрении проекта следует выяснить, что именно скрывает класс ISO. Подвергается ли элемент воздействию морских брызг, противогололёдной соли или переносимых ветром хлоридов? Может ли вода стекать с полок и фасонок или она будет скапливаться за стыком, рёбрами жёсткости или опорной частью? Имеются ли узкие щели, горизонтальные уступы, ловушки для слоистой ржавчины или элементы, удерживающие мусор? Могут ли промышленный диоксид серы, кислый конденсат или контакт разнородных металлов создать локальную гальваническую пару? Достаточен ли доступ для осмотра, чтобы обнаружить язвенную коррозию до того, как она повлияет на усталостную долговечность?

Химический состав сплава также должен учитываться при принятии решения. Атмосферостойкие стали основаны на целенаправленном добавлении Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo и P; в исследованиях также рассматривались добавки W, Ti, Al и редкоземельных элементов. ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки долговременных потерь металла вследствие атмосферной коррозии по данным кратковременных испытаний и оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии по химическому составу. Индекс, основанный на химическом составе, может использоваться для сравнений, однако он остаётся оценочным показателем, а не гарантией поведения на конкретном участке. В исследованиях FHWA сообщалось, что значения индекса ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились между 6 и 7, тогда как целевое значение для существенно повышенной стойкости в атмосферах, содержащих хлориды, составляло около 9,5 или выше.

При этом требования к материалу по-прежнему должны определяться выбранным стандартом на продукцию. Для мостовых конструкций Steel Bridge Design Handbook рассматривает положения об атмосферостойкой стали среди требований к материалам и проектированию мостовых сталей по ASTM A709. Химический состав, механические свойства, свариваемость и требования к изготовлению нельзя вывести из класса коррозионной агрессивности ISO.

Усталостную долговечность необходимо рассматривать отдельно. Язвенная коррозия снижает фактическую усталостную прочность даже при небольшой средней потере толщины. В руководстве FHWA по усталости указано, что AASHTO относит основную металлическую часть обычной незащищённой атмосферостойкой стали к категории усталости на одну ступень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за язвенной коррозии. Поэтому классификация коррозионной агрессивности должна учитываться при проверке на усталость, а не только при расчёте коррозионной прибавки.

Прибавки на толщину и интерпретация классов воздействия

Класс ISO может использоваться при назначении прибавки на толщину, однако эта прибавка должна соответствовать фактическим условиям воздействия, расчётному сроку службы, модели коррозии и количеству открытых поверхностей. Простое умножение номинальной скорости коррозии первого года на срок эксплуатации обычно является чрезмерно упрощённым подходом: скорость коррозии изменяется по мере формирования ржавчины, поверхности, защищённые от прямого воздействия, ведут себя иначе, чем свободно открытые поверхности, а локальная язвенная коррозия может определять работоспособность до того, как критичной станет равномерная потеря металла.

SCI Guidance Note 1.07 связывает прибавки на толщину для атмосферостойкой стали с классом воздействия и условиями на поверхности стали. Согласно этому подходу, инженер должен определить, подвергается ли элемент внешнему воздействию, находится ли он в защищённой зоне или работает в условиях, препятствующих формированию патины, а затем применить соответствующую прибавку для заданного периода эксплуатации. Класс воздействия не является формальной условной обозначением. Он изменяет принятую коррозионную нагрузку и, следовательно, остаточную толщину, доступную для проверок несущей способности.

Прибавка также должна быть совместима с конструктивными решениями. Дополнительный миллиметр не компенсирует полку, на которой годами удерживается солёная вода. Он также не делает подземную сталь, постоянно влажную сталь или поверхность, подвергающуюся соляному туману, эквивалентной открытой поверхности со свободным стоком воды. SCI Guidance Note 1.07 относит постоянно мокрые или влажные среды, воздействие высоких концентраций хлоридов или соляного тумана, концентрированных промышленных выбросов и заглублённые условия к непригодным либо ограниченно допустимым областям применения незащищённой атмосферостойкой стали. В таких местах вместо увеличения коррозионной прибавки могут потребоваться система покрытия, изменение водоотвода, герметизированный узел или иная стратегия выбора материала.

Проектировщикам следует отличать прибавку, предназначенную для сохранения несущей способности, от металла, необходимого для компенсации допусков изготовления, повреждений при монтаже или неопределённости будущих осмотров. Следует проверять состояние листов после уменьшения толщины, а также обследовать соединения на наличие слоистой ржавчины, потери сечения и мест скопления воды. Дренажные отверстия должны сохранять работоспособность после накопления мусора и продуктов коррозии.

Практическая последовательность действий очевидна: установить класс ISO 9223, проверить параметры окружающей среды, определить местные факторы, изменяющие воздействие, выбрать и проверить марку атмосферостойкой стали, применить зависящие от условий воздействия правила назначения толщины из соответствующего руководства по проектированию, а затем проверить водоотвод, усталостную долговечность, возможность осмотра и техническое обслуживание. ISO 9223 открывает процесс принятия решения, но не завершает его.

Выбор Места: Где Атмосферостойкая Сталь Без Покрытия Становится Рискованной

Атмосферостойкая сталь без покрытия не становится пригодной только потому, что конструкция находится на открытом воздухе. Ее стойкость к атмосферной коррозии зависит от определенного характера воздействия: поверхность должна многократно увлажняться и высыхать, пока сплав формирует относительно плотный и прочно сцепленный слой ржавчины. Этот слой может снизить последующую скорость коррозии, однако он не является автоматически образующимся постоянным покрытием. На участке, где сталь постоянно остается влажной, подвергается воздействию хлоридов, удерживает загрязненную воду или концентрирует промышленные выбросы, стабилизация патины может оказаться невозможной.

Поэтому оценка окружающей среды является обязательным предварительным этапом выбора системы без покрытия. Федеральное управление автомобильных дорог (FHWA) требует, чтобы проектировщики до выбора атмосферостойкой стали без покрытия оценивали продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленных загрязнителей, условия водоотвода, геометрию и возможности технического обслуживания. Эти проверки должны выполняться на стадии предварительного проектирования, а не после появления пятен ржавчины, потери сечения или трещин.

ISO 9223:2012 предоставляет полезную основу для такой оценки. Этот стандарт классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы по скоростям коррозии стандартных образцов в течение первого года и рассматривает влияние температуры и влажности, загрязнения диоксидом серы и содержания солей в воздухе как основные факторы. Сама по себе классификация не дает разрешения на применение атмосферостойкой стали. Она предоставляет экологические данные, которые необходимо интерпретировать совместно с химическим составом сплава, геометрией воздействия и последствиями коррозии на конкретном участке.

Морская атмосфера, соляной туман и среды, содержащие хлориды

Морское воздействие является одним из наиболее очевидных факторов риска. Морские брызги, разбивающиеся волны, переносимая ветром соль и противогололедные соли осаждают на стали ионы хлорида. Хлориды делают слой ржавчины более электропроводным и химически активным, удерживают влагу и способствуют локальному разрушению под отложениями. Вместо относительно однородной, прочно сцепленной патины на поверхности могут образовываться язвы и рыхлые продукты коррозии. Слой ржавчины может выглядеть темным и сформировавшимся, в то время как под ним коррозия продолжается.

Воздействие соли не ограничивается прибрежной зоной. На мостовых полотнах и съездах могут неоднократно применяться хлорид натрия или хлорид кальция; их брызги попадают на балки, опорные части, поперечные связи и нижние пояса. Ветер способен переносить соль вглубь суши. На прибрежных промышленных объектах соленость воздуха может сочетаться с соединениями серы и устойчивой высокой влажностью. Важно учитывать не только расстояние до моря, но и количество хлоридов, достигающих стали, частоту их осаждения и возможность их смыва дождем.

Ограничения FHWA непосредственно распространяются на морские среды и среды с высоким содержанием хлоридов. Атмосферостойкую сталь без покрытия не следует выбирать там, где загрязнение хлоридами является сильным или где насыщенная солью влага неоднократно увлажняет поверхность без достаточного промывания и высыхания. В документе Steel Construction Institute SCI Guidance Note 1.07 воздействие высоких концентраций хлоридов или соляного тумана указано как непригодное либо ограниченное условие для атмосферостойкой стали без покрытия. Особенно проблематичной является зона заплеска: сталь, которая попеременно погружается в воду, подвергается обрызгиванию и контактирует с кислородом, не получает устойчивой последовательности увлажнения и высыхания, необходимой для обычного формирования атмосферной патины.

Химический состав марки имеет значение, однако он не способен устранить неблагоприятное воздействие окружающей среды. В исследовании FHWA, опубликованном в 2011 году, сообщалось, что значения индекса коррозионной стойкости по ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как целью исследования были значения около 9,5 или выше, обеспечивающие существенно повышенную стойкость в средах, содержащих хлориды. ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки долгосрочных потерь от атмосферной коррозии по данным кратковременных испытаний, а также методы оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии на основе ее химического состава. Эти индексы позволяют проводить сравнение, но не освобождают участок от требований по оценке условий воздействия.

Проектирование на выносливость является еще одной причиной серьезно относиться к воздействию хлоридов. Язвенная коррозия создает локальные концентрации напряжений, а потери металла вследствие коррозии могут резко меняться на небольших расстояниях. В руководстве FHWA по усталостной прочности указано, что AASHTO относит основной металл обычной атмосферостойкой стали без покрытия к категории усталостной прочности на одну ступень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за язвенной коррозии. Поэтому мост в среде с воздействием солей необходимо оценивать как с точки зрения потери материала, так и с точки зрения влияния язв на усталостную прочность. Может потребоваться окраска уязвимых поверхностей, улучшение водоотвода или выбор другой системы защиты от коррозии.

Постоянно влажные, заглубленные и плохо вентилируемые зоны

Для формирования патины необходимы чередующиеся циклы увлажнения и высыхания. National Steel Bridge Alliance (NSBA) указывает, что образование защитной патины требует многократного увлажнения и высыхания. Постоянная влажность прерывает этот процесс. Вода, удерживаемая у поверхности стали, в одних зонах ограничивает перенос кислорода, а в других поддерживает электрохимическую коррозию; отложения могут создавать элементы с дифференциальной аэрацией, а образующиеся продукты коррозии могут оставаться мягкими, пористыми и слабо сцепленными с поверхностью.

Конструктивные детали часто создают такие условия даже при умеренном региональном климате. Горизонтальные полки, коробчатые сечения, зазоры у ребер жесткости, накладные листы, соединенные вплотную уголки и забитые водоотводы могут удерживать дождевую воду или загрязненный осадок. Узкая щель может высыхать у открытого края, оставаясь влажной в глубине. Неравномерное воздействие способствует локальной коррозии, а не приблизительно однородному изменению поверхности, предполагаемому при проектировании для атмосферных условий.

Руководства FHWA требуют учитывать водоотвод и геометрию с учетом конкретного участка. Вода должна быстро удаляться с конструкции, а детали должны предотвращать образование зон, где скапливаются загрязнения и удерживается влага. Не менее важна вентиляция. В замкнутых или экранированных пространствах влажность может сохраняться после высыхания открытых поверхностей, особенно при слабом движении воздуха и образовании конденсата. В документе SCI Guidance Note 1.07 постоянно влажные или сырые среды и плохая вентиляция указаны как условия, при которых применение атмосферостойкой стали без покрытия ограничено или непригодно.

Заглубленная сталь требует отдельного предупреждения и не относится к обычному применению в атмосферных условиях. Грунт обеспечивает постоянное увлажнение, наличие растворенных солей, а в некоторых местах — кислую или микробиологически активную среду. Контакт с грунтом также исключает открытый цикл увлажнения и высыхания, на котором основано атмосферное формирование защитного слоя. Та же проблема возникает у стали, частично заделанной в бетон, дорожное покрытие, засыпку или накопившийся осадок, если граница раздела остается влажной. Подземные участки, детали подпорных конструкций, заглубленные связи и сталь в зоне фундаментов требуют стратегии защиты, рассчитанной на воздействие грунта или погружение в воду, а не простого расчета на атмосферную патину.

Вода может также задерживаться в местах перехода между различными материалами. Герметики, мембраны, огнезащитные материалы, несовместимые металлы и плохо подогнанные крышки могут создавать постоянно влажные щели. Сток с одного элемента может попадать на другой, концентрируя хлориды и продукты коррозии на узкой линии. Особого внимания требуют зоны заплеска под негерметичными деформационными швами или водоотводами с мостового полотна, поскольку сталь может неоднократно увлажняться загрязненной водой, практически не получая благоприятного для высыхания воздействия.

Промышленные выбросы и концентрация загрязнителей

Промышленная атмосфера может быть коррозионно-агрессивной даже при отсутствии видимого соляного тумана. Диоксид серы, поступающий от предприятий сжигания топлива и промышленных производств, растворяется в поверхностной влаге и образует кислые соединения, включая сернистую и серную кислоты по мере протекания окисления. Другие загрязнители, такие как сероводород, хлориды, оксиды азота, кислые аэрозоли и технологическая пыль, могут изменять химические свойства слоя ржавчины. Осевшая пыль способна поглощать воду из влажного воздуха, увеличивая продолжительность увлажнения после окончания дождя.

ISO 9223:2012 прямо определяет загрязнение диоксидом серы как фактор классификации коррозионной агрессивности атмосферы. Важны как концентрация, так и характер осаждения. Участок вблизи трубы, металлургического предприятия, химического завода, завода по производству удобрений, объекта переработки отходов или крупного промышленного порта может получать значительно большую нагрузку загрязнителями, чем предполагают данные региональной станции мониторинга. Локальные факелы выбросов, защищенные углубления и поверхности, обращенные по ветру, могут создавать в пределах одной конструкции резко агрессивные микросреды.

Поэтому ограничения FHWA включают концентрированные промышленные загрязнители в число условий, требующих осторожности или исключения применения. В документе SCI Guidance Note 1.07 концентрированные промышленные выбросы также указаны как непригодное или ограниченное условие для атмосферостойкой стали без покрытия. Вопрос заключается не только в том, содержит ли сплав медь, хром, никель, фосфор или другие целенаправленно введенные добавки. Атмосферостойкие стали являются низкоуглеродистыми сталями, коррозионное поведение которых изменено легированием; FHWA отмечает традиционное внимание к Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo и P, а в более поздних исследованиях — к W, Ti, Al и добавкам редкоземельных элементов. Легирование повышает стойкость при подходящих условиях воздействия, но не превращает поверхность, насыщенную кислотами и постоянно находящуюся во влажном состоянии, в защищенную поверхность.

Обоснованное решение по участку должно объединять атмосферные данные с физическим обследованием: оценкой осаждения хлоридов, источников загрязнителей, преобладающих ветров, образования конденсата, путей стока, зон заплеска, замкнутых пространств, контакта с грунтом и доступности для осмотра. Расчеты по ASTM G101 и классификация по ISO 9223 могут использоваться при оценке, а на участках с неопределенными условиями может быть оправдано применение экспозиционных образцов или локального мониторинга коррозии. Если конструкция не сможет высыхать, осматриваться или будет подвергаться воздействию концентрированных хлоридов либо промышленных выбросов, применение атмосферостойкой стали без покрытия следует отклонить или ограничить до окончательного определения конструктивных деталей.

Деталировка конструкции: водоотвод, удаление загрязнений и вентиляция

Предотвращение скопления воды и загрязнений

Атмосферостойкая сталь не компенсирует неудовлетворительную геометрию конструкции. Подходящий сплав способен образовать относительно плотный, прочно сцепленный слой ржавчины только в том случае, если поверхность подвергается повторяющимся циклам увлажнения и высыхания; соединение, которое остается влажным, удерживает ил или принимает на себя концентрированный сток, может корродировать быстрее, чем открытая поверхность из менее коррозионностойкой стали. В методическом пособии National Steel Bridge Alliance (2010) чередующиеся циклы увлажнения и высыхания названы условием формирования защитной патины. Практический вывод очевиден: деталировка может влиять на коррозию не менее существенно, чем номинальный выбор материала.

SteelConstruction.info и SCI Guidance Note 1.07 относят скопление воды и загрязнений к основным причинам неудовлетворительной работы неокрашенной атмосферостойкой стали. Особые проблемы создают горизонтальные полки. Выступ фланца, ребро жесткости, кронштейн, опорная полка или архитектурный возврат могут задерживать листья, песок и материал птичьих гнезд, а затем удерживать дождевую воду у поверхности стали. Загрязнения также увеличивают продолжительность увлажнения и могут удерживать хлориды, принесенные дорожными брызгами или морским аэрозолем, даже после того, как видимая поверхность кажется сухой. Узкая полка не становится безопасной только потому, что она узкая: капиллярные силы могут сохранять влажность на ее нижней стороне и у прилегающего сварного шва.

Поэтому детали должны отводить воду, а не накапливать ее. Наклонные верхние поверхности, плавные или конические переходы, открытые с торцов каналы и доступные для осмотра поверхности уменьшают удержание воды. Если полка необходима по конструктивным причинам, ее ширина, уклон и оформление кромки должны препятствовать задержанию осадка, а ее нижняя сторона должна быть видимой для осмотра. Ребра жесткости не следует заканчивать в небольших замкнутых карманах. В местах пересечения листов должно быть достаточно свободного пространства для выхода воды и для того, чтобы инспектор мог видеть соответствующие сварные швы и основной металл.

Особого внимания требуют щели. Перекрывающиеся листы, прерывистые сварные швы, болтовые нахлесточные соединения, подкладные планки и незагерметизированные загнутые кромки могут образовывать узкие элементы с разностью концентрации кислорода. Вода проникает через отверстие, тогда как испарение внутри соединения ограничено. Возникающая местная коррозия может быть более интенсивной, чем общая поверхностная коррозия, и приводить к питтингу у входа в щель. Номинально коррозионностойкий состав стали не устраняет эту электрохимическую проблему.

Тот же принцип относится к допускам при изготовлении и монтаже. Деталь, которая на чертеже обеспечивает сток воды, может начать удерживать воду после деформации листа, усадки сварного шва, осадки или закупорки водоотводного отверстия. Дренажные отверстия следует располагать так, чтобы они сохраняли работоспособность с учетом ожидаемых допусков изготовления и монтажа, а не просто обозначать в самой нижней точке идеализированного чертежа. Небольшие отверстия могут засоряться окалиной или илом; их размеры и доступность должны соответствовать количеству загрязнений, которые, вероятно, будут в них попадать. В проектной документации следует указывать места, где закупорка приведет к длительному увлажнению, а доступ для осмотра необходимо предусматривать до завершения строительства.

Расчет на усталость нельзя отделять от этой деталировки. В руководстве FHWA по усталости (2016) сообщается, что AASHTO относит основной металл обычной неокрашенной атмосферостойкой стали к категории усталостной прочности на один уровень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за питтинга. Щель или место скопления загрязнений могут усилить этот местный питтинг и создать более резкий концентратор напряжений, чем предполагается при расчете гладкого листа. Поэтому зоны у концов сварных швов, углы вырезов, отверстия под болты и участки рядом с дренажными отверстиями требуют как соответствующих категорий усталостной деталировки, так и плана коррозионного контроля.

Обеспечение водоотвода и вентиляции

Водоотводящие пути должны быть непрерывными, видимыми и защищенными от случайной закупорки. Вода, попадающая внутрь коробчатой балки, парапета, опоры дорожного знака, ниши деформационного шва или панели с ребрами жесткости, должна иметь определенный путь к выпускному отверстию. Дренаж, который сбрасывает воду на другую стальную поверхность, лишь переносит проблему. Выпускные отверстия следует располагать так, чтобы не допускать увлажнения нижних фланцев, опор, швов, пешеходных маршрутов и бетонных поверхностей, уязвимых к появлению ржавых потеков. Если выпуск воды должен проходить через конструктивную поверхность, геометрия должна препятствовать растеканию струи вдоль шва или ее проникновению в щель.

Замкнутые полости являются распространенной причиной отказов. Герметичная полость может не пропускать дождь, но при этом содержать влагу, оставшуюся после изготовления, конденсат или небольшую течь, которую трудно обнаружить. Особенно опасна полость, которая не защищена от проникновения воды и одновременно не вентилируется для просушки. SteelConstruction.info и SCI Guidance Note 1.07 подчеркивают важность водоотвода и вентиляции, поскольку на атмосферную коррозию влияет не только количество осадков, но и продолжительность высыхания. Вентиляционные отверстия следует располагать так, чтобы обеспечивались движение воздуха и возможность осмотра, но исключалось непосредственное попадание дождя и соляного аэрозоля. Кроме того, они должны иметь размеры и защиту, препятствующие проникновению птиц и насекомых, а также накоплению загрязнений.

Вентиляция не заменяет водоотвод. Циркуляция воздуха не может удалить лужу, застрявшую за перекрывающимся листом, а отверстие способно впускать влажный воздух или аэрозоль, содержащий хлориды. Предусмотренный механизм должен быть четко определен: вода должна уходить под действием силы тяжести, а вентиляция — уменьшать конденсацию и способствовать высыханию. В коробчатых сечениях для улучшения воздухообмена и водоотвода могут потребоваться верхние и нижние отверстия, однако их расположение должно учитывать дождь, переносимый ветром, и возможность закупорки одного из отверстий.

Оценка воздействия окружающей среды должна основываться на характеристиках конкретной площадки, а не на обозначении «атмосферостойкая сталь». ISO 9223:2012 классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы с использованием показателей коррозии стандартных образцов за первый год и выделяет температурно-влажностные условия, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе как ключевые факторы. Руководство FHWA (2003) требует до выбора неокрашенной атмосферостойкой стали оценить продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленных загрязнителей, особенности водоотвода, геометрию и техническое обслуживание. SCI Guidance Note 1.07 (2015) относит постоянно мокрые или влажные места, зоны с высоким воздействием хлоридов или соляного аэрозоля, концентрированные промышленные выбросы и заглубленные условия к непригодным или ограниченно допустимым областям применения.

Это особенно важно для деталей, изменяющих местные условия среды. Одна сторона пролетного строения моста может подвергаться воздействию дождя, тогда как другая остается влажной из-за протекающих швов. На приморский парапет соляной аэрозоль может попадать с обращенной к морю стороны, а отложения соли — сохраняться под его верхним поручнем. На промышленном сооружении в зоне технологического выпуска могут присутствовать концентрированные выбросы диоксида серы или других газов. В каждом случае одна и та же марка стали может вести себя по-разному на различных участках сооружения. Водоотвод, экранирование и вентиляцию следует анализировать совместно с картой воздействия окружающей среды, а не после появления коррозии.

Осмотр должен охватывать места, наименее видимые с уровня земли: нижние стороны полок, участки за фасонками, внутренние поверхности коробчатых сечений, зоны вокруг дренажных отверстий, перекрывающиеся соединения и участки под скопившимися отложениями. Интервалы между осмотрами должны позволять устранить закупорку выпускных отверстий и постоянное увлажнение до того, как потеря сечения станет существенной. В документации следует различать потеки, поверхностную окалину, активный питтинг и потерю толщины; один лишь коричневый цвет не доказывает стабилизацию патины.

Предотвращение контакта с несовместимыми металлами и образования путей стекания, вызывающих потеки

Не следует считать атмосферостойкую сталь электрохимически совместимой с любым соседним материалом. Контакт с более благородным металлом в присутствии электролита может вызвать гальваническую коррозию атмосферостойкой стали, особенно если катодный материал имеет большую открытую площадь, а зона контакта со сталью мала. Крепления из нержавеющей стали, компоненты, содержащие медь, бронзовые детали и некоторые варианты соединения с алюминием требуют специальной оценки контакта, электрической изоляции, удержания воды и водоотвода. Проблема заключается не только в сухом контакте. Она связана с проводящей влажной пленкой или удерживаемым раствором, соединяющим металлы.

По возможности детали должны исключать гальванические пары из разнородных металлов либо электрически разделять материалы и препятствовать направлению стока с одного металла на другой. Крепеж, шайбы, прокладки, компоненты опор, элементы поручней и детали водоотвода необходимо рассматривать как часть соединения, а не как второстепенные принадлежности. Изоляционные материалы сами могут удерживать воду или создавать щель, поэтому после устройства разделения деталь должна оставаться доступной для осмотра и обеспечивать водоотвод.

Сток также создает пути образования потеков. Вода, несущая частицы ржавчины с неокрашенной атмосферостойкой стали, может оставлять следы на бетоне, камне, штукатурке, покрытиях и окрашенной стали. Такие потеки могут быть неприемлемыми даже при допустимой скорости конструкционной коррозии. Капли с вырезов, парапетов и открытых кромок листов следует отводить от видимых отделочных поверхностей с помощью предусмотренных уклонов, капельников и организованных точек сброса. Капельник, направляющий воду на нижний фланец, лишь концентрирует коррозию в этом месте; необходимо рассматривать весь путь от поверхности увлажнения до конечного выпуска.

Узлы сопряжения с бетоном требуют осторожности, поскольку трещины, швы и пористые поверхности могут удерживать загрязненную воду у стали. Заглубленные или засыпанные грунтом кромки особенно плохо подходят для применения неокрашенной атмосферостойкой стали, что соответствует ограничениям, указанным в SCI Guidance Note 1.07. Деталь должна либо обеспечивать контакт стали с условиями, допускающими высыхание, либо предусматривать защитную стратегию, соответствующую скрытой среде.

Наконец, на чертежах следует обозначать зоны, подверженные коррозии, для доступа и последующего обследования. Геометрия, скрывающая соединение, блокирующая дренаж или направляющая сток на узел, повышает зависимость от технического обслуживания. Атмосферостойкая сталь остается условным конструктивным выбором для атмосферной коррозии; ее эксплуатационные характеристики определяются совместным действием сплава, условий воздействия и деталировки. (1 047 слов)

Проектирование мостов, питтинговая коррозия и усталость

Атмосферостойкая сталь не освобождает от необходимости учитывать долговечность при проектировании мостов. В мосту может применяться сталь ASTM A709/A709M Grade 50W или другая марка атмосферостойкой стали, но при сохранении на поверхности воды, хлоридов, мусора или промышленных отложений всё равно может возникнуть опасная коррозия. Сопротивление атмосферной коррозии снижает скорость и изменяет характер коррозии при подходящих условиях воздействия; оно не обеспечивает иммунитета и не отменяет необходимости проектировать усталостно-стойкие конструктивные детали, обеспечивать доступ для осмотра и контролировать водоотвод.

Питтинговая коррозия как фактор, влияющий на прочность и усталость

В руководстве FHWA по усталости описывается ожидаемое формирование патины в результате чередования периодов увлажнения и высыхания. Первичное окисление образует слой ржавчины, а повторное воздействие может преобразовать этот слой в относительно плотную, прочно сцепленную с поверхностью плёнку, замедляющую дальнейшее разрушение. Этот процесс зависит от высыхания. Поверхность, которая постоянно остаётся влажной, подвергается воздействию соляного аэрозоля или накапливает загрязнённый сток, не проходит ту же последовательность воздействия, что открытый элемент со свободным водоотводом.

Это различие важно, поскольку коррозия атмосферостойкой стали не всегда выражается в равномерном уменьшении толщины. Питтинговая коррозия может образовывать локальные углубления с более резкими изменениями профиля поверхности, чем можно было бы предположить по средней потере металла. Средняя потеря толщины может казаться небольшой, тогда как в оставшемся металле присутствуют небольшие участки со значительно большей глубиной проникновения коррозии. В зоне, чувствительной к усталости, питтинг действует как надрез: он повышает локальное напряжение, изменяет градиент напряжений и может стать местом зарождения усталостной трещины.

Точечная коррозияТочечная коррозия Локальная коррозия, образующая полости или углубления с большей глубиной проникновения, чем при окружающей общей коррозии.

Трещина, возникшая в питтинге, может расти при таких диапазонах напряжений, которые не вызвали бы трещину в гладком основном металле с номинально полной толщиной. Риск выше у кромок полок, отверстий, валиковых участков сварных швов, поверхностей прерывистого контакта, соединений с диафрагмами, зон стыков и других деталей, где уже присутствуют концентрации напряжений, обусловленные геометрией. Питтинговая коррозия также усложняет ультразвуковые измерения толщины, поскольку единичное измерение может не обнаружить наиболее глубокую часть неровной полости. Поэтому измерения должны выявлять распределение и максимальную глубину коррозионного поражения, а не только рассчитывать среднюю потерю толщины.

Предупреждение в руководстве FHWA сформулировано однозначно: питтинговая коррозия влияет на оценку усталостной работы атмосферостойкой стали. Поэтому патину не следует описывать как постоянное покрытие с гарантированной толщиной или эксплуатационными характеристиками. Это продукт воздействия окружающей среды, качество которого зависит от состава сплава, истории воздействия, геометрии поверхности и продолжительности увлажнения. Отложения хлоридов имеют особое значение, поскольку могут сохранять гигроскопичность, продлевая увлажнение поверхности и нарушая условия, необходимые для формирования стабильного слоя ржавчины.

Химический состав сплава влияет на результат, но сам по себе не способен компенсировать неудовлетворительные конструктивные решения. В исследовании FHWA, опубликованном в 2009 году, описывается традиционное применение марганца, кремния, хрома, никеля, меди, молибдена и фосфора в атмосферостойких сталях, а также рассматривается добавление вольфрама, титана, алюминия и редкоземельных элементов. В исследовании FHWA 2011 года по улучшенной коррозионностойкой стали сообщалось, что большинство атмосферостойких сталей имели значения индекса коррозии по ASTM G101 от 6 до 7; целью исследования было достижение значений около 9,5 или выше для существенно повышенного сопротивления в атмосферах, содержащих хлориды. Эти показатели являются сравнительными индикаторами и не дают оснований игнорировать условия воздействия на конкретный мост.

ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки долгосрочных потерь металла вследствие атмосферной коррозии по данным краткосрочных испытаний, а также оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии на основе её химического состава. ISO 9223:2012 классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы с использованием скоростей коррозии стандартных образцов за первый год и определяет влияние температуры и влажности, загрязнения диоксидом серы и содержания солей в воздухе как ключевые факторы. Ни один из этих стандартов не превращает предположение о патине, не зависящей от условий конкретного объекта, в основу проектирования конструкции.

Определение усталостной категории по AASHTO

Усталостная категория, присвоенная детали моста, характеризует её сопротивление повторяющимся циклам напряжений, однако категория определяется не только номинальной маркой стали. На усталостные характеристики влияют геометрия сварного шва, тип соединения, отверстия, прикреплённые элементы, состояние поверхности, остаточные напряжения и коррозионное воздействие. Атмосферостойкая сталь создаёт дополнительную проблему, поскольку локализованная коррозия может изменить состояние поверхности, принятое в качестве основы для расчёта на усталость.

В руководстве FHWA Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue разъясняется, что согласно приведённому подходу AASHTO основной металл атмосферостойкой стали без покрытия получает на одну усталостную категорию ниже, чем сопоставимая неатмосферостойкая сталь, из-за питтинговой коррозии. Это расчётное снижение относится к состоянию материала и не означает, что для каждого соединения из атмосферостойкой стали существует одна универсальная категория. Применимая усталостная категория по AASHTO LRFD по-прежнему зависит от фактической детали и определяющего диапазона напряжений.

Это различие позволяет избежать двух противоположных ошибок. Неправильно приписывать обычные характеристики усталости незащищённой стали только потому, что слой ржавчины выглядит сформировавшимся. Но также неправильно произвольно снижать категорию для каждой сварной или болтовой детали без проверки классификации детали по AASHTO. Плита из ASTM A709/A709M Grade 50W, работающая как основной металл, рассматривается иначе, чем сварное прикрепление, изготовленное по той же спецификации, поскольку сварная деталь имеет собственные усталостные характеристики и концентрацию напряжений.

При проектировании на усталость необходимо учитывать диапазон напряжений, создаваемый транспортной нагрузкой, ветром, температурными воздействиями, вторичными деформациями и защемлением. Номинальный диапазон напряжений может быть рассчитан правильно, тогда как локальный диапазон у питтинга, зоны перехода у конца сварного шва, выреза, отверстия или коррозионной борозды будет значительно выше. Если коррозия уменьшила толщину, та же сила вызывает также более высокое номинальное напряжение. Эти эффекты могут сочетаться: потеря сечения повышает номинальное напряжение, а питтинговая коррозия увеличивает локальный коэффициент концентрации напряжений.

Вопросы разрушения следует рассматривать в рамках той же оценки. Небольшая усталостная трещина может некоторое время оставаться стабильной, а затем быстро развиваться при уменьшении оставшегося нетто-сечения или при наличии хрупкой зоны, критичной по разрушению и обладающей ограниченной способностью останавливать трещину. Низкие температуры, растягивающие остаточные напряжения и неблагоприятная ориентация трещины могут дополнительно уменьшить запас безопасности. Поэтому атмосферостойкую сталь следует выбирать и применять с одновременным учётом требований моста к предотвращению хрупкого разрушения, требований к ударной вязкости, усталостной категории и плана инспекций.

Взаимодействие коррозии, диапазона напряжений и инспекций

Решение об использовании стали принимается ещё до задания её марки. Руководство FHWA 2003 года требует до выбора незащищённой атмосферостойкой стали оценивать продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленные загрязнители, водоотвод, геометрию и условия технического обслуживания. Мост над дорогой, где применяются противогололёдные соли, прибрежное сооружение, подвергающееся воздействию солей, переносимых воздухом, и сельский мост с быстрым высыханием не находятся в одинаковых коррозионных условиях. ISO 9223:2012 предоставляет основу для классификации, однако необходимы также данные о воздействии на конкретном объекте и соответствующие местные конструктивные решения.

Места скопления воды одновременно являются деталями, важными для усталости и коррозии. Горизонтальные полки, концы рёбер жёсткости, узкие зазоры, плохо герметизированные поверхности стыковых соединений, карманы для мусора и заблокированные водоотводные отверстия могут сохранять сталь влажной ещё долго после высыхания соседних поверхностей. Сток с одного элемента может концентрировать хлориды на другом. SteelConstruction.info и Guidance Note 1.07 SCI указывают на постоянно влажные или сырые среды, высокое воздействие хлоридов или соляного аэрозоля, концентрированные промышленные выбросы и заглублённые условия как на неприемлемые либо ограниченно допустимые области применения незащищённой атмосферостойкой стали. Контакт разнородных металлов и плохая вентиляция могут создавать дополнительные локальные коррозионные элементы.

Историю напряжений следует сопоставлять с предполагаемым характером коррозии. В детали с малым числом циклов и высокими напряжениями определяющими могут быть несколько тяжёлых воздействий, тогда как балка моста, испытывающая миллионы циклов от грузового транспорта, чувствительна к небольшим изменениям усталостной прочности. Если в соединении ожидается питтинговая коррозия, проектирование не должно опираться на номинальный припуск на коррозию так, как если бы потеря металла была равномерной. Более подходящими могут оказаться улучшение водоотвода, герметизация щелей, применение заменяемых компонентов, нанесение защитного покрытия на отдельных участках или выбор другой стратегии в отношении стали и технического обслуживания.

Затем инспекция проверяет, остаются ли расчётные предпосылки действительными. Инспекторы должны фиксировать продолжающееся ржавление, отслаивающуюся окалину, глубину питтингов, задержку воды, отложения хлоридов, слоистую ржавчину в зазорах, потерю сечения, признаки, похожие на трещины, а также изменения в сварных швах и прикреплённых элементах. Один лишь визуальный цвет поверхности является слабым доказательством. Тёмная или слоистая поверхность может указывать на формирующуюся патину, но не позволяет определить максимальную глубину питтингов или безопасность по усталости.

Периодичность и методы инспекций должны соответствовать последствиям отказа, категории детали, транспортной нагрузке, тяжести воздействия и сложности доступа. Детальный визуальный осмотр может потребовать дополнения в виде ультразвукового картирования толщины, измерения глубины питтингов, магнитопорошкового контроля, капиллярного контроля или других методов обнаружения трещин в местах, чувствительных к усталости. Результаты должны учитываться в расчётной модели конструкции: измеренная потеря сечения может изменить диапазон напряжений, а обнаруженная трещина — повлиять на оценку сопротивления разрушению и грузоподъёмности.

Таким образом, проектирование защиты от атмосферной коррозии является частью проектирования на усталость. Патина может уменьшить продолжающуюся коррозию при надлежащем чередовании увлажнения и высыхания, однако мост остаётся несущей системой с локальными концентраторами напряжений, повторными транспортными циклами и обязательствами по проведению инспекций. Надёжное проектирование с применением атмосферостойкой стали предусматривает выбор сплава и усталостной категории по AASHTO, контроль воды и загрязнителей, учёт возможности питтинговой коррозии и сохранение практического механизма перехода от результатов инспекции к ремонту или усилению.

Атмосферостойкая сталь в практике применения мостовой стали ASTM A709

Материал ASTM A709 и проектные аспекты

ASTM A709/A709M — это стандарт на материал мостовой стали, а не универсальное обозначение неокрашенных атмосферостойких конструкций. Он включает, среди прочих марок, предусмотренных соответствующим изданием стандарта, ASTM A709 Grade 36, Grade 50, Grade 50W, HPS 50W и HPS 70W. Обозначение «W» указывает на требования к атмосферостойкой стали, но само по себе не подтверждает возможность эксплуатации моста без окраски на любом объекте. Выбор марки, дополнительные требования, свариваемость, ударная вязкость, предотвращение хрупкого разрушения, изготовление и несущая способность по-прежнему должны рассматриваться в рамках проектирования конкретного сооружения.

В Steel Bridge Design Handbook требования к атмосферной коррозионной стойкости и атмосферостойкой стали рассматриваются в рамках более широкой системы требований к материалам и проектированию мостовых сталей ASTM A709. Это имеет принципиальное значение. Инженер-мостостроитель не выбирает сначала атмосферостойкую марку, а затем рассматривает коррозию как отдельный вопрос, связанный с нанесением защитного покрытия. Обозначение марки должно соответствовать требуемым прочностным характеристикам и ударной вязкости, а оценка воздействия среды должна определять, смогут ли положения об атмосферной коррозионной стойкости работать надлежащим образом. Проектирование соединений, сопротивление усталости, сварные узлы и доступ для осмотра остаются конструктивными вопросами даже в том случае, если система окраски не предусмотрена.

Атмосферостойкая сталь — это низкоуглеродистая легированная сталь, предназначенная для формирования относительно плотного, прочно сцепленного слоя ржавчины при повторяющихся циклах увлажнения и высыхания. Этот слой не является непроницаемым покрытием, а атмосферная коррозионная стойкость не означает полной невосприимчивости к коррозии. Первичное окисление начинается, когда влага достигает поверхности стали. Патина может замедлить последующую потерю металла, если поверхность высыхает между периодами увлажнения, однако результат зависит от химического состава сплава, содержания загрязняющих веществ, отложения хлоридов, температуры, влажности и геометрии элемента.

Поэтому химический состав следует рассматривать в соответствии с требованиями применимой марки ASTM A709/A709M и спецификацией проекта, а не исходя из предполагаемого универсального состава. В исследованиях FHWA исторически основное внимание уделялось легированию марганцем, кремнием, хромом, никелем, медью, молибденом и фосфором; в последующих исследованиях коррозии также изучалось добавление вольфрама, титана, алюминия и редкоземельных элементов. ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки долгосрочных потерь металла вследствие атмосферной коррозии по данным краткосрочных испытаний, а также оценки относительной атмосферной коррозионной стойкости низколегированной стали по её химическому составу. Эти методы помогают проводить сравнение и прогнозирование. Однако они не отменяют необходимости исследовать фактические условия эксплуатации моста.

В рамках программы FHWA по разработке улучшенной коррозионностойкой стали сообщалось, что значения коррозионного индекса ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как целью исследований было достижение значений около 9,5 или выше для существенного повышения стойкости в атмосферах, содержащих хлориды. Этот результат предостерегает от предположения, что все атмосферостойкие марки одинаково ведут себя в эксплуатации. Состав влияет на характеристики, однако благоприятный индекс не может компенсировать постоянно влажную полку балки, соединение, удерживающее соль, или загрязнённый путь стока воды.

Атмосферная коррозионная стойкость в спецификациях мостов

До одобрения неокрашенной атмосферостойкой стали ASTM A709 следует классифицировать атмосферное воздействие. ISO 9223:2012 основывает классификацию коррозионной агрессивности на скоростях коррозии стандартных образцов в течение первого года и выделяет влияние температуры и влажности, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе как ключевые факторы. Классификация представляет собой экологическую систему оценки, а не гарантию срока службы конкретного элемента моста. Местные условия воздействия могут быть более тяжёлыми, чем предполагает общее описание объекта, особенно вблизи дорог, где применяются противогололёдные соли, морских побережий, промышленных предприятий и полос движения, создающих насыщенные солью брызги.

Рекомендации FHWA предусматривают оценку конкретных условий объекта — продолжительности увлажнения, воздействия хлоридов, промышленных загрязнителей, водоотвода, геометрии и технического обслуживания — до выбора неокрашенной атмосферостойкой стали. Эти факторы взаимодействуют. Балка под открытым настилом может быстро высыхать, тогда как накладка стыка под негерметичным деформационным швом может оставаться влажной в течение длительного времени. Даже мост в целом благоприятной сельской атмосфере может подвергаться разрушительной коррозии там, где мусор блокирует водоотвод или где сток концентрируется у окончания рёбер жёсткости.

SCI Guidance Note 1.07 относит постоянно влажные или сырые условия, интенсивное воздействие хлоридов или соляного тумана, высокую концентрацию промышленных выбросов и заглублённые конструкции к непригодным либо ограниченно пригодным областям применения неокрашенной атмосферостойкой стали. Соль особенно опасна, поскольку отложения хлоридов могут поддерживать электролитическую влажность и препятствовать стабилизации патины. Диоксид серы и другие промышленные загрязнители также могут повышать скорость коррозии. Если воздействие невозможно контролировать, может потребоваться система защитного покрытия, коррозионностойкая конструктивная деталь, альтернативный материал или сочетание нескольких мер; одной лишь маркировки как атмосферостойкой недостаточно для надлежащей спецификации.

В информационном документе National Steel Bridge Alliance указывается, что для формирования защитной патины необходимы повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания. Это объясняет, почему на открытых поверхностях стенок моста может образовываться привлекательный коричневый слой оксидов, тогда как коррозия продолжается на защищённых выступах, в сопряжениях накладок или на нижних полках. Обзорные публикации по данным об атмосферной коррозии также рассматривают отдельно время стабилизации, установившуюся скорость коррозии, условия воздействия и неопределённость долгосрочного прогнозирования. Равномерный на вид слой ржавчины, сформировавшийся после нескольких сезонов, не доказывает прекращения коррозии, а визуальный цвет не определяет расчётный припуск на коррозию.

Проектирование на усталость добавляет ещё один специфичный для материала аспект. В рекомендациях FHWA по усталости объясняется, что атмосферостойкая сталь формирует патину в результате чередования влажных и сухих циклов, но также сообщается, что AASHTO относит обычный неокрашенный основной металл атмосферостойкой стали к категории усталости на одну ступень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за точечной коррозии. Такое снижение учитывает локальное повреждение поверхности и концентрацию напряжений. Это означает, что выбор коррозионностойкого материала нельзя отделять от расчёта диапазонов напряжений, классификации узлов и планирования осмотров.

Согласование выбора материала и конструктивных решений

Надёжность моста из атмосферостойкой стали обеспечивается совместным применением подходящего материала и геометрии, способствующей отводу воды. Конструктивные решения должны предотвращать накопление воды и мусора, обеспечивать отвод воды из замкнутых или частично замкнутых пространств, а также позволять элементам высыхать и инспекторам осматривать критические поверхности. Щели, узкие выступы, негерметичные нахлёсты и плохо вентилируемые полости могут нарушить условия, необходимые для формирования патины. Проект также должен ограничивать загрязнение стоками, если окрашенный ржавчиной сток может повредить бетон, опорные части, деформационные швы или прилегающую собственность.

Дренажные отверстия должны оставаться доступными и отводить воду таким образом, чтобы она не смачивала другие стальные поверхности. Особого внимания требуют деформационные швы настила, поскольку протечки могут создавать концентрированный источник хлоридов у концов балок и в соединениях поперечных связей. Торцевые диафрагмы, узлы рёбер жёсткости и участки стыков следует проверять на наличие зон скопления воды, накопления соли и доступность для очистки. Несовместимые металлы могут вызывать гальванические эффекты, тогда как заглублённые или частично заделанные стальные поверхности находятся в иных условиях увлажнения, чем свободно открытые атмосферному воздействию поверхности.

В рамках той же проверки следует оценивать будущее техническое обслуживание. Конструктивная деталь, которую невозможно промыть, осмотреть или отремонтировать, может превратить контролируемое воздействие в устойчивый очаг коррозии. Периодичность осмотров должна учитывать применение хлоридов, промышленное загрязнение, эффективность водоотвода и наблюдаемую потерю сечения, а не основываться на неизменном предположении о постоянстве патины.

Таким образом, более широкая система, изложенная в Steel Bridge Design Handbook, приводит к однозначному проектному выводу: обозначение марки ASTM A709/A709M, требования к материалу, классификация воздействия среды, прогнозирование коррозии, оценка усталости и конструктивные решения должны быть согласованы между собой. Неокрашенная атмосферостойкая сталь представляет собой условную систему. Она может снизить зависимость от лакокрасочных покрытий, если состав сплава, атмосфера, водоотвод и положения об осмотрах обеспечивают формирование патины, но не заменяет оценку воздействия среды или грамотное проектирование моста.

Стратегии защиты от коррозии: без покрытия, с покрытием и комбинированная

Атмосферостойкая сталь не отменяет необходимости проектирования защиты от коррозии. Она изменяет способ обеспечения этой защиты: вместо того чтобы в основном полагаться на нанесённое покрытие, проектировщик может рассчитывать на зависящий от состава сплава слой ржавчины, который формируется в процессе многократного чередования увлажнения и высыхания. Однако такой выбор возможен не всегда. Если окружающая среда не позволяет сформироваться стабильной патине, может потребоваться система покрытия, локальная защита от коррозии, изменение геометрии либо сочетание этих мер.

Эти три стратегии не являются взаимозаменяемыми обозначениями. Проектирование без покрытия предъявляет повышенные требования к химическому составу стали, оценке условий воздействия и отводу воды. Проектирование с покрытием предъявляет повышенные требования к подготовке поверхности, спецификации покрытия, обработке кромок, ремонту и контролю. Комбинированная стратегия распределяет эти требования: подходящие поверхности оставляют без покрытия, а зоны, в которых вода, соли или загрязняющие вещества создают неприемлемый риск коррозии, защищают.

Когда рассматривается применение атмосферостойкой стали без покрытия

Применение атмосферостойкой стали без покрытия оправдано только после совместной оценки условий эксплуатации и предлагаемых конструктивных решений. Сталь должна подвергаться атмосферному воздействию с достаточным количеством чередующихся периодов увлажнения и высыхания, чтобы сформировался относительно плотный и прочно сцепленный слой ржавчины. В руководстве National Steel Bridge Alliance (2010) многократное увлажнение и высыхание указаны как условие формирования защитной патины; постоянная влажность не обеспечивает такой же последовательности воздействий.

Имеет значение и марка материала. Стойкость к атмосферной коррозии зависит от химического состава сплава, а не только от наименования «атмосферостойкая сталь». В традиционных составах атмосферостойких сталей основное внимание уделяется марганцу, кремнию, хрому, никелю, меди, молибдену и фосфору. В исследованиях Federal Highway Administration также изучалось добавление вольфрама, титана, алюминия и редкоземельных элементов. ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки относительной стойкости к атмосферной коррозии по химическому составу, а также оценки долгосрочных потерь по результатам более кратковременных испытаний. Это метод оценки, а не гарантия того, что на конкретном сооружении сформируется приемлемая патина.

ISO 9223:2012 предоставляет полезную систему экологической классификации. Классы атмосферной коррозионной агрессивности в этом стандарте используют показатели коррозии стандартных образцов за первый год и учитывают влияние температуры и влажности, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе. Поэтому классификация площадки только по общему климату может скрывать существенные местные различия: защищённая нижняя поверхность, зона дорожных брызг, фасад, обращённый к морю, и промышленный факел выбросов могут характеризоваться различными условиями коррозии в пределах одного проекта.

Рекомендации FHWA (2003) требуют до выбора атмосферостойкой стали без покрытия специально учитывать продолжительность увлажнения, воздействие хлоридов, промышленные загрязнители, водоотвод, геометрию и техническое обслуживание. Эти факторы следует рассматривать на уровне отдельных конструктивных узлов. Вода, скопившаяся за накладкой стыка, внутри рёбер жёсткости, под слоем накопившегося мусора или на плохо дренируемом поясе, может сохранять сталь влажной ещё долго после высыхания соседних поверхностей. В результате коррозия может оставаться локализованной, а не переходить в сравнительно равномерное поверхностное окисление, предполагаемое общей моделью атмосферного воздействия.

Результат может определяться геометрией. Наклонные поверхности, открытые торцы, доступные полки и правильно рассчитанные пути отвода воды способствуют удалению воды из конструкции. Узкие щели, горизонтальные карманы, замкнутые полости с путями протечки и места накопления песка или листьев препятствуют стабилизации патины. Необходимо также учитывать контакты разнородных металлов, поскольку гальванические эффекты могут изменять локальный характер коррозии.

Выбор стали без покрытия должен учитывать последствия для несущей конструкции. Питтинг может создавать более высокую концентрацию напряжений, чем сравнительно равномерное уменьшение толщины. В рекомендациях FHWA по усталости отмечается, что AASHTO относит основной металл обычной атмосферостойкой стали без покрытия к категории усталости на одну ступень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, вследствие питтинга. Поэтому решения для элементов, чувствительных к усталости, нельзя обосновывать предполагаемым снижением общей скорости коррозии. Сварные соединения, прикреплённые элементы, отверстия под болты и зоны, подвергающиеся повторным нагрузкам, требуют отдельной оценки усталости и контроля.

Сплав может оказаться непригодным даже при внешне чистом воздухе. В исследовании FHWA, опубликованном в 2011 году, сообщалось, что значения коррозионного индекса ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как исследование было направлено на получение значений около 9,5 и выше для существенного повышения стойкости в атмосферах, содержащих хлориды. Этот вывод подтверждает ясную проектную позицию: обычный химический состав атмосферостойкой стали не следует рассматривать как универсальное решение для воздействия солей.

Когда условия окружающей среды требуют дополнительной защиты

Покрытие является более обоснованным решением, если окружающая среда препятствует надёжному формированию патины или если последствия локальной коррозии могут быть тяжёлыми. В Guidance Note 1.07 SCI (2015) постоянно влажные или сырые условия, высокое воздействие хлоридов или соляного тумана, концентрированные промышленные выбросы и подземные условия указаны как непригодные либо ограничивающие области применения атмосферостойкой стали без покрытия. Эти ограничения касаются не только открытого воздействия морской среды. Аналогичные проблемы могут создавать противогололёдная соль на дорогах, брызги от транспорта, протечки инженерных коммуникаций, конденсация в замкнутых пространствах и загрязнённый поверхностный сток.

Дополнительная защита может охватывать весь элемент или только отдельные зоны. Полное покрытие может быть целесообразным там, где отложения хлоридов, диоксид серы или постоянная конденсация воздействуют на большую часть открытых поверхностей. Локальное покрытие может наноситься в зонах брызг, на путях стока с проезжей части, на концах балок, в углублениях соединений, на скрытых поверхностях и в областях вблизи деформационных швов. Граница между защищённой и незащищённой сталью должна быть выполнена таким образом, чтобы вода не направлялась на незащищённую кромку и не задерживалась в месте окончания покрытия.

Комбинированная стратегия также может предусматривать сочетание элементов из атмосферостойкой стали с покрытыми компонентами соединений, герметизированными сопряжениями или коррозионностойкими крепёжными деталями при условии гальванической совместимости и соблюдения применимых стандартов на материалы. Нельзя предполагать, что покрытая пластина устраняет все риски в зоне болтовых соединений, щелей или повреждённых кромок. Система защиты по-прежнему должна быть пригодной для контроля и ремонта.

Изменение конструктивного решения может дать не меньший эффект, чем нанесение покрытия. Улучшение водоотвода, устранение мест скопления мусора, устройство вентиляционного отверстия в замкнутом объёме, разделение разнородных металлов или предотвращение прямого стока воды, насыщенной солями, могут восстановить условия, при которых сталь без покрытия работает более предсказуемо. И наоборот, внешне открытая поверхность всё же может нуждаться в покрытии, если на неё попадают концентрированные загрязнения. Внешняя видимость не является классификацией условий воздействия.

Выбор покрытия должен быть связан с периодичностью контроля, ожидаемыми повреждениями и способом ремонта. Подготовка поверхности, профиль сварных швов, острые кромки, болты, монтажные стыки и толщина покрытия — всё это влияет на эксплуатационные характеристики. Если до повреждённого покрытия невозможно безопасно добраться, решение без покрытия или решение с иной конструкцией может обеспечить более управляемые затраты и объём технического обслуживания. Поэтому правильное сравнение — это не «патина против краски», а полная система защиты от коррозии на протяжении запланированного срока эксплуатации.

Предположения по техническому обслуживанию и возможность контроля

Каждая стратегия основана на определённых предположениях относительно технического обслуживания. Применение атмосферостойкой стали без покрытия предполагает, что инспекторы смогут определить, равномерно ли развивается слой ржавчины, выявить задержку воды и удалить мусор до ускорения локальной коррозии. Оно также предполагает, что потёки от стока, отслаивание ржавчины и доступ для детального обследования являются приемлемыми последствиями проектного решения.

Система покрытия предполагает проведение плановых осмотров на наличие трещин, вздутий, отслоений, механических повреждений и коррозии на кромках или в местах дефектов. Для ремонта необходимы совместимые материалы, подходящие погодные условия и доступ для очистки и повторного нанесения покрытия. Если выполнение таких операций маловероятно, номинальный срок службы покрытия не следует использовать как единственное основание для проектирования.

Доступ для контроля должен быть обеспечен до того, как элементы будут закрыты или размещены над транспортом, водой либо оборудованием. Отверстия для отвода воды должны оставаться видимыми и свободными. Для скрытых поверхностей, опорных зон, внутренних частей стыков и торцов рёбер жёсткости могут потребоваться специальные смотровые отверстия или процедуры контроля. При мониторинге следует фиксировать не только потерю сечения, но и её причину: застой воды, накопление солей, разрушение покрытия, мусор, протечки или ошибочное предположение об условиях воздействия.

Планирование технического обслуживания также влияет на проектирование с учётом усталости. Питтинг и коррозия в местах концентрации напряжений могут требовать более тщательного обследования, чем широкая поверхность с незначительным равномерным ржавлением. В проекте, зависящем от раннего обнаружения повреждений, следует указать, кто проводит осмотр, какое состояние служит основанием для ремонта и каким образом этот ремонт будет выполняться. Без таких положений «конструкция без покрытия» не является категорией, не требующей технического обслуживания; это решение, которое переносит обязанности по защите на водоотвод, контроль условий воздействия и проведение осмотров.

Испытания, данные об экспозиции и долгосрочное прогнозирование коррозии

Лабораторные испытания и испытания при атмосферной экспозиции

Атмосферостойкую сталь не испытывают, выясняя, появляется ли на ней ржавчина. Обычная углеродистая сталь также ржавеет. Важен другой вопрос: образует ли сплав достаточно прочно сцепленный, относительно малопроницаемый слой ржавчины при фактической последовательности увлажнения, высыхания, загрязнения и очистки на конкретном объекте. Лабораторные испытания позволяют измерить эту тенденцию, однако ни одно ускоренное испытание не воспроизводит все варианты атмосферной экспозиции.

Состав является первой переменной. ASTM A242, ASTM A588 и мостовые стали, соответствующие требованиям ASTM A709/A709M, содержат целенаправленно введённые добавки, изменяющие продукты коррозии и их сцепление с поверхностью. Традиционное легирование было сосредоточено на марганце, кремнии, хроме, никеле, меди, молибдене и фосфоре. В исследовании Федерального управления автомобильных дорог США, опубликованном в 2009 году, также рассматривались добавки вольфрама, титана, алюминия и редкоземельных элементов. Цель состоит не просто в увеличении содержания легирующих элементов, а в изменении электрохимических реакций и структуры слоя ржавчины без ухудшения свариваемости, вязкости, прочности или усталостных характеристик.

ASTM G101-04(2010) предусматривает два взаимосвязанных метода. Стандарт позволяет оценивать долгосрочную потерю металла вследствие атмосферной коррозии по результатам краткосрочной экспозиции, а также оценивать относительную атмосферостойкость низколегированной стали по её химическому составу. Индекс коррозии, основанный на составе, полезен для сравнения плавок или марок стали, но не является сертификатом пригодности для конкретного объекта. В исследовании FHWA сообщалось, что значения индекса ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как в более поздней программе разработки сплавов целевыми были значения около 9,5 или выше для существенно повышенной стойкости в атмосферах, содержащих хлориды. Эти значения характеризуют индекс, а не гарантированный срок службы в миллиметрах.

В главе Corrosion of Weathering Steels справочника ASM Handbook испытания при экспозиции рассматриваются как связующее звено между металлургией и условиями эксплуатации. В ней освещаются легирующие добавки, индексы, основанные на составе, формирование слоя ржавчины и коррозионные испытания, а также подчёркиваются конструктивные проблемы, такие как щели, скопление задержавшегося мусора и постоянная сырость. Лабораторный образец может показать, склонен ли предлагаемый химический состав к образованию плотного слоя ржавчины. Однако он не может определить, будет ли узел стыка моста оставаться достаточно сухим, чтобы вести себя таким же образом.

Испытания при атмосферной экспозиции восполняют недостающий экологический аспект. Образцы размещают на репрезентативных площадках, взвешивают, очищают и повторно взвешивают через установленные интервалы, одновременно фиксируя внешний вид ржавчины, сток и локальные поражения. ISO 9223:2012 классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы по скоростям коррозии стандартных образцов в течение первого года. В этой системе учитывается совокупное воздействие температуры и влажности, загрязнения диоксидом серы и содержания солей в воздухе. Такая классификация полезна для описания условий экспозиции, но не заменяет обследование предполагаемой конструкции. Защищённый от осадков пояс балки, стенка, промываемая дождём, и стык, улавливающий соль, могут находиться в разных условиях коррозионной агрессивности в пределах одного моста.

Испытания в соляном тумане или циклические коррозионные испытания позволяют быстро ранжировать материалы, особенно если хлоридное загрязнение входит в расчётный сценарий. Они плохо заменяют естественную экспозицию, если в ходе испытания электролит подаётся непрерывно или отсутствует стадия высыхания. Для формирования характерной патины атмосферостойкой стали необходимы повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания. Образец, постоянно находящийся во влажном состоянии, может подвергаться воздействию, которого не возникло бы в атмосферных условиях при свободном стоке; образец, высушиваемый слишком интенсивно, может не отражать особенности прибрежного или промышленного микроклимата. Поэтому вместе с результатом коррозионного испытания необходимо указывать продолжительность испытания, химический состав раствора, температуру, цикл увлажнения и ориентацию образца.

Краткосрочные данные и долгосрочное поведение

Начальная потеря массы часто завышает или занижает последующие эксплуатационные характеристики. На начальном этапе экспозиции незащищённая сталь быстро реагирует на анодных участках, а слой ржавчины может быть пористым, растрескавшимся или плохо сцепленным с поверхностью. При подходящих циклах продукты коррозии могут становиться более плотными и защитными, снижая последующую скорость коррозии. Такое снижение не происходит автоматически. Хлориды могут сохраняться в порах, диоксид серы способен подкислять поверхностную влагу, а повторяющееся истирание или сток могут удалять формирующуюся ржавчину.

В обзоре атмосферной коррозии, использованном для этой статьи, время стабилизации и последующая установившаяся скорость коррозии рассматриваются как отдельные величины. Образец может демонстрировать снижение скорости коррозии через несколько лет, однако время, необходимое для достижения этого состояния, зависит от климата, уровня загрязнителей, ориентации, защищённости и химического состава сплава. Краткосрочная экспозиция, завершившаяся до стабилизации, не может установить долгосрочную скорость коррозии. И наоборот, краткосрочное испытание с принудительным увлажнением хлоридами может дать скорость потери металла, не соответствующую поверхности внутри континента, промываемой дождём.

ASTM G101 учитывает эту проблему, используя данные краткосрочной экспозиции для оценки долгосрочной потери металла, однако такая оценка основана на допущениях о том, как скорость изменяется со временем. Подобная экстраполяция более обоснованна, когда история экспозиции сходна с предполагаемыми условиями эксплуатации и когда несколько интервалов экспозиции демонстрируют устойчивую тенденцию. Она становится ненадёжной, если условия на объекте меняются. Противогололёдная соль может начать применяться после нескольких лет относительно чистой экспозиции. На дороге может быть изменена система водоотвода. Промышленные выбросы могут сократиться, либо рядом может начать работать новый источник загрязнения. Модель, откалиброванную до такого изменения, нельзя просто без корректировок распространять на последующий период.

Поэтому рекомендации FHWA предусматривают анализ конкретного объекта с учётом продолжительности увлажнения, воздействия хлоридов, промышленных загрязнителей, водоотвода, геометрии и технического обслуживания. В документе SCI Guidance Note 1.07 постоянно мокрые или влажные зоны, сильное воздействие хлоридов или соляного тумана, концентрированные промышленные газы и заглублённые конструкции указаны как непригодные либо ограниченно пригодные области применения незащищённой атмосферостойкой стали. SteelConstruction.info также подчёркивает значение водоотвода, вентиляции и предотвращения скопления воды или мусора. Это не второстепенные предпочтения при разработке деталей. Именно они определяют, сохраняется ли у поверхности стали тот характер воздействия, на котором основывался прогноз коррозии.

Потерю металла вследствие коррозии необходимо также отличать от видимого изменения цвета. Тёмная однородная патина может скрывать локальные язвенные поражения, тогда как оранжевый сток может выглядеть значительным, не сопровождаясь соответствующей потерей сечения. Измерения должны включать потерю массы или показания толщиномера, глубину язв, щелевую коррозию, а также состояние кромок, соединений и контактных поверхностей. Для элемента, чувствительного к усталости, локальные язвенные поражения важны даже при небольшой средней потере толщины. В рекомендациях FHWA по усталости зафиксировано соответствующее расчётное последствие: AASHTO относит основной металл обычной незащищённой атмосферостойкой стали к категории усталости на один уровень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за язвенной коррозии. Поэтому коррозионная модель, прогнозирующая только среднюю потерю металла, является неполной для деталей, работающих при циклических нагрузках.

Стабилизация слоя ржавчины и прогнозные модели

Корректный прогноз рассматривает формирование патины как зависящий от времени процесс, а не как постоянное покрытие, нанесённое при изготовлении. Чередование циклов увлажнения и высыхания позволяет продуктам окисления преобразовываться и уплотняться; водоотвод и вентиляция ограничивают продолжительность контакта с электролитом. После этого слой может снижать скорость дальнейшего воздействия. Его эффективность по-прежнему зависит от того же экологического равновесия, которое обеспечило его формирование.

В прогнозных моделях потерю металла вследствие коррозии обычно выражают как функцию времени экспозиции: сначала потеря возрастает быстро, а после частичной стабилизации скорость снижается. Коэффициенты должны определяться по сопоставимым данным, полученным в полевых условиях. Модель, разработанную по результатам испытаний панелей в сельской местности, не следует напрямую переносить на прибрежный мост, насыщенный хлоридами; аналогично, класс коррозионной агрессивности по ISO 9223 за первый год нельзя рассматривать как постоянную величину на весь срок службы. ISO 9223 описывает исходную атмосферную нагрузку с помощью стандартных образцов, но не прогнозирует поведение каждой защищённой щели или будущие изменения технического обслуживания.

Поэтому долгосрочный прогноз должен использовать диапазон значений, а не одно привлекательное число. В нём следует указать предполагаемый характер увлажнения и высыхания, уровни загрязнителей и хлоридов, очистку или промывку, пути стока, интервалы обследований и момент, при котором потребуется повторное нанесение покрытия или ремонт. Полевые образцы, контрольные панели и плановые измерения толщины позволяют проверить, действительно ли происходит предполагаемая стабилизация. Если коррозия остаётся активной, язвы углубляются или влажные отложения сохраняются, ответными мерами могут быть корректировка водоотвода, промывка, локальное нанесение покрытия или изменение системы защиты от коррозии.

Основное инженерное различие заключается в следующем: атмосферостойкая сталь может уменьшать атмосферную коррозию при подходящих условиях, однако её будущая потеря металла зависит от условий и подлежит пересмотру. Химический состав определяет способность к формированию патины. История экспозиции, конструктивные решения и техническое обслуживание определяют, будет ли эта способность реализована.

Осмотр, техническое обслуживание и виды отказов

Атмосферостойкая сталь не является полностью необслуживаемой. Ее устойчивость к атмосферной коррозии зависит от того, сохраняется ли ржавчинный слой относительно плотным и прочно сцепленным с поверхностью; для этого необходимы подходящий химический состав сплава и повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания. Если вода остается в замкнутых полостях, накапливаются хлоридные отложения или промышленное загрязнение изменяет коррозионную среду, патина может стать пористой, растрескавшейся или плохо сцепленной с основанием. В этом случае коррозия продолжается под видимой поверхностью.

Поэтому осмотр является частью проектирования. Его цель состоит не в подтверждении того, что каждая поверхность имеет коричневый цвет, а в определении того, сохраняются ли условия воздействия, предполагаемые при выборе материала и разработке конструктивных решений.

Распознавание аномальной коррозии и задержки воды

Устойчивая патина обычно формируется при чередовании периодов увлажнения и высыхания. В руководстве NSBA, опубликованном в 2010 году, повторяющиеся циклы увлажнения и высыхания определены как необходимые для формирования защитной патины. Поверхность, которая постоянно остается влажной, не подвергается тому же воздействию окружающей среды, что и открытая поверхность со свободным отводом воды. На ней вместо относительно однородной и прочно сцепленной патины могут наблюдаться рыхлая оранжевая ржавчина, темные влажные пятна, отслаивающиеся слои, бугорки коррозии или локальная точечная коррозия.

Задержка воды часто имеет большее значение, чем общий внешний вид элемента. Инспекторы должны искать потеки ржавчины ниже соединений, непрерывные влажные полосы в местах нахлеста, стоячую воду на горизонтальных листах, заполненные грязью углубления вокруг болтов и влажные участки за соединительными листами. Узкая протечка может создать тяжелые локальные условия коррозии, тогда как остальная часть элемента будет выглядеть исправной. Свежая ржавчина после сухого периода, особенно вокруг трещины, сливного отверстия или крепежной детали, свидетельствует об активной коррозии, а не о безвредном изменении цвета.

Путям отвода воды следует уделять особое внимание. Небольшие отверстия могут забиваться листьями, илом, материалом птичьих гнезд, льдом, сварочными брызгами или продуктами коррозии. После закупорки конструктивный элемент, рассчитанный на периодическое воздействие влаги, может превратиться в постоянный резервуар влаги. Такая же неисправность возникает, когда вода через негерметичный деформационный шов настила попадает на балку, когда парапет направляет содержащий соль сток на полку или когда герметизирующий шов отделяется и пропускает воду за лист.

Может измениться и окружающая атмосфера. ISO 9223:2012 классифицирует коррозионную агрессивность атмосферы с использованием показателей коррозии стандартных образцов за первый год и выделяет температуру и влажность, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе как ключевые факторы. Участок, приемлемый на момент строительства сооружения, может стать более агрессивным после усиления обработки дороги солью, расширения порта, изменения промышленного процесса или увеличения отложения загрязняющих веществ из-за роста транспортного движения. ASTM G101-04(2010) устанавливает методы оценки долгосрочных потерь металла вследствие атмосферной коррозии по данным кратковременных испытаний и оценки относительной стойкости низколегированной стали к атмосферной коррозии на основе ее химического состава; этот стандарт не превращает расчетную оценку состава в гарантию для каждого конструктивного элемента сооружения.

Точечная коррозия вызывает особую обеспокоенность, поскольку средняя потеря толщины может скрывать значительно меньшее локальное сечение. В руководстве FHWA по усталости указано, что AASHTO относит основной металл обычной атмосферостойкой стали без покрытия к категории усталости на одну ступень ниже, чем сопоставимую неатмосферостойкую сталь, из-за точечной коррозии. Такое снижение имеет значение для элементов, подвергающихся повторным нагрузкам, даже если общая коррозия кажется незначительной. Глубокие язвы около торцов сварных швов, отверстий, концов ребер жесткости или линий соединений следует измерять и оценивать, а не только фотографировать.

Осмотр скрытых и подверженных коррозии конструктивных элементов

План осмотра должен учитывать пути перемещения воды, мусора и загрязняющих веществ внутри сооружения. Соединения, стыки, зоны опирания, переходы полок, окончания ребер жесткости, отверстия в стенках и болтовые соединения требуют первоочередного внимания, поскольку они нарушают отвод воды или создают узкие зазоры. Следует осматривать пространство под накладками и соединительными уголками, за фасонками, вокруг головок болтов и гаек, а также торцы герметичных или частично герметичных элементов. Скрытую поверхность нельзя оценивать по открытой стороне.

Ребра жесткости могут образовывать узкие каналы, в которых скапливается мусор и предотвращается высыхание. Их торцы следует проверять на наличие задержавшейся воды, неполных сварных швов, сварочных зазоров и распирания ржавчиной. Прерывистые сварные швы и несваренные линии контакта могут удерживать электролит за счет капиллярного эффекта. Горизонтальные выступы следует проверять на наличие осадка и растительности, поскольку и то и другое увеличивает продолжительность увлажнения. При ограниченном доступе для осмотра могут потребоваться зеркала, бороскопы, ультразвуковые измерения толщины или тщательно выбранная локальная очистка. Очистка не должна удалять свидетельства коррозии до документирования ее механизма.

Соединения, в которых используются разнородные металлы, требуют особого внимания. Гальванические эффекты могут концентрировать коррозионное воздействие в местах контакта элемента из атмосферостойкой стали с нержавеющей сталью, оцинкованной сталью, алюминием или другим металлом под проводящей влажной пленкой. Крепежные детали должны быть совместимы с заданной маркой стали и условиями воздействия, а любое покрытие или изолирующая система должны сохранять эффективность в зоне контакта. Наличие патины на атмосферостойкой стали не защищает несовместимую пару металлов.

Заглубленные, погруженные или постоянно влажные участки следует рассматривать как отдельные условия воздействия, а не как обычные атмосферные поверхности. Контакт с грунтом, протечки инженерных сетей, конденсация внутри коробчатых сечений и зоны разбрызгивания могут препятствовать циклу высыхания, от которого зависит формирование патины. В документе SCI Guidance Note 1.07, выпущенном в 2015 году, постоянно влажные или сырые среды, воздействие высоких концентраций хлоридов или соляного тумана, концентрированные промышленные испарения и заглубленные условия определены как непригодные либо ограниченно допустимые области применения атмосферостойкой стали без покрытия.

При осмотре текущие условия следует сопоставлять с исходными проектными предпосылками. В документации необходимо указывать форму коррозии, глубину язв, площадь поражения, состояние водоотвода, источники загрязняющих веществ или хлоридов, а также любые изменения трещинообразования или деформаций. Поверхностного визуального обследования недостаточно при наличии деталей, чувствительных к усталости.

Условия технического обслуживания как часть исходного проекта

Доступ для технического обслуживания и решения по очистке должны быть предусмотрены до изготовления, а не добавлены после появления коррозии. Проектировщики должны предусматривать дренажные отверстия, которые можно осматривать и очищать, уклоны, не образующие плоских застойных зон, зазоры, достаточно широкие для предотвращения образования перемычек из мусора, а также вентиляцию в местах, где в замкнутых пространствах может конденсироваться влага. На деталировочных чертежах следует показывать, как вода выходит из соединения и куда отводится; номинальное отверстие не является решением по водоотводу, если сток направляется на другую поверхность, подверженную коррозии.

Выбранная марка стали и классификация условий воздействия также должны оставаться взаимосвязанными. Руководства FHWA требуют проводить оценку, специфичную для конкретного участка, с учетом продолжительности увлажнения, воздействия хлоридов, промышленных загрязнителей, водоотвода, геометрии и условий технического обслуживания до выбора атмосферостойкой стали без покрытия. Традиционный химический состав атмосферостойкой стали ориентирован на марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден и фосфор. В исследовании FHWA, опубликованном в 2011 году, сообщается, что значения коррозионного индекса ASTM G101 для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как в исследовании улучшенной коррозионностойкой стали целевыми были значения около 9,5 или выше, обеспечивающие существенно более высокие эксплуатационные характеристики в атмосферах, содержащих хлориды. Этот результат поддерживает предварительный отбор и выбор материала, но не отменяет необходимости надлежащего водоотвода.

В плане технического обслуживания должно быть указано, кто отвечает за очистку дренажных отверстий, удаление мусора, проверку протечек, регистрацию измерений глубины язв и ремонт поврежденных конструктивных элементов. В плане также следует определить основания для привлечения инженера: сохраняющаяся влажность, новое воздействие хлоридов, рыхлая или отслаивающаяся ржавчина, неожиданная потеря сечения, коррозия в деталях, чувствительных к усталости, либо переход от атмосферного воздействия к заглубленному или связанному с разбрызгиванием. Ремонт может включать восстановление водоотвода, устранение гальванического контакта, замену поврежденной стали, герметизацию протечки или нанесение покрытия на локальный участок. Окраска визуально заржавевшей поверхности без устранения источника влаги обычно скрывает неисправность, а не останавливает ее.

Исходные проектные предпосылки могут перестать выполняться в процессе эксплуатации. Патина является зависящим от условий эксплуатации продуктом коррозии, а не постоянным покрытием. Осмотр и техническое обслуживание позволяют поддерживать условия окружающей среды в диапазоне, для которого были выбраны сталь, геометрия конструкции и решения по усталостной прочности.

Практический рабочий процесс проектирования с учетом атмосферной коррозии

Необлицованную атмосферостойкую сталь следует выбирать на основе последовательной оценки условий площадки, материала и конструктивных решений, а не по названию марки или предполагаемому цвету патины. Такой сплав предназначен для формирования относительно плотного, прочно сцепленного слоя ржавчины при подходящем чередовании увлажнения и высыхания. Этот слой может снизить последующую коррозию, однако он не является автоматически образующимся и постоянным защитным покрытием. Непрерывная сырость, отложения солей, промышленное загрязнение, неудовлетворительный дренаж или защищенные от промывания щели могут поддерживать активную коррозию под неровной поверхностной пленкой.

Рабочий процесс следует начинать до выбора марки стали и продолжать до планирования инспекций. ISO 9223:2012 устанавливает основу для классификации атмосферной коррозионной агрессивности; рекомендации FHWA дополняют ее вопросами, специфичными для площадки, на которые одна классификация ответить не может.

Классифицируйте атмосферу и выявляйте загрязняющие вещества

Сначала установите характер изменения температуры и влажности непосредственно на поверхности стали, а не полагайтесь только на данные о региональном климате. Зафиксируйте сезонную температуру, относительную влажность, осадки, конденсацию, туман, циклы замораживания и оттаивания, а также периоды, в течение которых поверхности остаются визуально или микроскопически влажными. В ISO 9223:2012 влияние температуры и влажности, загрязнение диоксидом серы и содержание солей в воздухе рассматриваются как основные атмосферные факторы; коррозионная агрессивность классифицируется по скоростям коррозии в первый год, измеренным на стандартных образцах. Полученная категория полезна для сравнения, но она не описывает каждую защищенную от промывания полку фланца, соединение или дренажный путь в конструкции.

Продолжительность увлажнения — это практическое связующее звено между климатом и коррозией. Элемент, высыхающий в течение часа после дождя, находится в иных условиях, чем элемент, под которым вода удерживается под накладкой стыка несколько дней. Изучите вероятные механизмы увлажнения: прямое воздействие дождя, брызги, конденсацию, туман, протечки в соединениях, складирование снега и промывочную воду. Затем определите, способствует ли высыханию или препятствует ему ветер, солнечный нагрев, ограждение или соседние поверхности.

Оценка солености требует большего, чем указание, что объект расположен «рядом с побережьем». Определите расстояние до береговой линии, преобладающее направление ветра, воздействие волн или прибоя, наличие соленых брызг, использование противогололедных солей и вероятность поступления загрязненного стока. Хлориды могут накапливаться на горизонтальных выступах и в щелях даже при умеренной средней концентрации в воздухе. Мост над дорогой, на которой применяются соли, может испытывать более серьезное воздействие хлоридов на нижние фланцы, чем на верхние поверхности.

Диоксид серы и другие загрязняющие вещества также требуют оценки по источникам. Нанесите на карту зоны интенсивного движения, топочное оборудование, химические производства, участки обработки металлов, склады удобрений и промышленные выбросы из закрытых помещений. Диоксид серы может повышать кислотность электролита и изменять формирование слоя ржавчины. Пыль способна удерживать влагу и загрязняющие вещества; сажа и производственные отложения могут создавать локально агрессивные гальванические участки. Установите, имеют ли выбросы непрерывный, сезонный или эпизодический характер, поскольку короткий, но повторяющийся импульс загрязнения может иметь существенное значение в защищенном от промывания узле.

Таким образом, категорию по ISO следует фиксировать вместе с измеренными или расчетными отложениями хлоридов, концентрацией диоксида серы, продолжительностью увлажнения и локальными источниками загрязнения. ASTM G101-04(2010) позволяет оценивать долгосрочные потери металла от атмосферной коррозии по краткосрочным данным об испытаниях и относительную коррозионную стойкость по химическому составу низколегированной стали. Это расчетный метод, а не замена данным о фактическом воздействии и не гарантия того, что выбранный элемент сформирует защитную патину.

Оцените сочетание материала, геометрии и условий воздействия

Затем проверьте точное обозначение материала, вид проката и применимый стандарт. «Атмосферостойкая сталь» — это общее описание семейства материалов, а не полная спецификация. Для мостовых конструкций могут применяться марки ASTM A709/A709M, тогда как в других сооружениях могут использоваться обозначения, установленные национальным стандартом на продукцию. Пределы химического состава, механические свойства, диапазон толщин, требования к сварке и состояние поставки должны соответствовать применимой редакции стандарта. Проверьте сертификат металлургического предприятия и химический состав плавки, а не исходите из предположения, что знакомое обозначение марки обеспечивает одинаковые атмосферные характеристики по всем стандартам.

Состав сплава имеет значение. Традиционный химический состав атмосферостойкой стали предусматривает марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден и фосфор. В исследовании FHWA, опубликованном в 2009 году, также изучались добавки вольфрама, титана, алюминия и редкоземельных элементов. Индексные значения ASTM G101 позволяют провести предварительное сравнение: в 2011 году FHWA сообщало, что значения для большинства атмосферостойких сталей находились в диапазоне от 6 до 7, тогда как в исследовании целевыми были значения, близкие к 9,5 или превышающие их, для существенного повышения стойкости в атмосферах, содержащих хлориды. Эти показатели не устанавливают универсальный критерий приемки. Они показывают, почему состав, воздействие загрязняющих веществ и хлоридные условия необходимо рассматривать совместно.

Затем проверьте геометрию как систему управления водой. Для каждой поверхности должен существовать надежный путь высыхания. Устраните карманы, незагерметизированные нахлесты, выступы, обращенные вверх, узкие щели, заблокированные водоотводные отверстия и детали, в которых могут задерживаться листья, грязь или птичий помет. Обеспечьте организованный отвод воды и достаточную вентиляцию замкнутых пространств. Загерметизируйте или иным образом защитите соединения, в которые может проникать вода, но из которых она не может испариться. Особое внимание уделите ребрам жесткости, накладкам стыков, опорным зонам, коробчатым сечениям, фасонкам, соединительным уголкам и сопряжениям с бетоном.

Визуально привлекательная патина не доказывает, что скрытая поверхность защищена. Потеки ржавчины могут указывать на сток с устойчивой зоны, но также могут свидетельствовать о потере сечения во влажном соединении. Аналогично, различные оттенки оранжевого, коричневого и черного могут отражать историю воздействия, загрязнение, удержание влаги или неполную стабилизацию, а не надежную стадию эксплуатационных характеристик.

Отбраковывайте или изменяйте решения для условий постоянно влажного или сырого воздействия, контакта с грунтом, устойчивого воздействия соляных брызг, концентрированных промышленных выбросов или неконтролируемого попадания брызг противогололедных солей. В документе SCI Guidance Note 1.07 эти условия определены как непригодные либо ограничивающие применение незащищенной атмосферостойкой стали. Если изменить условия воздействия невозможно, может потребоваться система покрытия, реконструкция дренажа, припуск на коррозию или применение другой стратегии выбора материала.

На этом этапе проверьте также соседние материалы. Медь, латунь, нержавеющая сталь, оцинкованные компоненты и алюминий могут создавать гальванические эффекты, если электролит соединяет разнородные металлы. Риск зависит от соотношения площадей, электрического соединения, концентрации загрязняющих веществ и условий дренажа. При необходимости изолируйте несовместимые металлы, не допускайте стока с более благородного металла на атмосферостойкую сталь и назначайте совместимые крепежные изделия и шайбы.

Наконец, оцените конструктивные последствия, а не рассматривайте коррозию только как визуальную проблему. Питтинг уменьшает рабочее сечение и создает локальную концентрацию напряжений. В рекомендациях FHWA по усталости указано, что AASHTO присваивает основному металлу обычной атмосферостойкой стали без покрытия категорию усталости на одну ступень ниже, чем сопоставимой неатмосферостойкой стали, из-за питтинга. Поэтому мосты, чувствительные к усталости, элементы кранов, вибрирующие опоры и тонкостенные элементы требуют явно заданных предположений о питтинге, классификации соединений, припусков на коррозию и доступности для инспекции.

Документируйте допущения по инспекции и техническому обслуживанию

В проектной документации следует указать, какие условия должны сохраняться для применения стали без покрытия: ожидаемая категория коррозионной агрессивности, условия воздействия хлоридов и диоксида серы, допущения о продолжительности увлажнения, эффективность дренажа, вентиляция, период стабилизации патины и исключенные зоны воздействия. Также необходимо обозначить поверхности, от которых не ожидается стабилизация, например постоянно влажные соединения или участки, подвергающиеся воздействию дорожных брызг.

Определите первую инспекцию после монтажа и последующий интервал инспекций с учетом последствий отказа, условий воздействия и неопределенности. На ранних инспекциях следует проверять удержание воды, неожиданные отложения солей, потеки стока, повреждения, возникшие при строительстве, зоны сварки, щели и неравномерную коррозию, а не только общий цвет поверхности. Измеряйте глубину питтинга и потерю сечения в характерных и подозрительных местах; сохраняйте фотографии и фиксированные реперные точки, чтобы можно было сопоставлять изменения.

Инструкции по техническому обслуживанию должны предусматривать удаление мусора, восстановление проходимости заблокированных водоотводов, ремонт протекающих соединений и удаление отложений загрязняющих веществ. Не следует без разбора предписывать промывку: скопившаяся вода может переместить хлориды в новые щели, если дренаж и высыхание не контролируются. Любое ремонтное покрытие следует выбирать с учетом фактических условий среды и состояния поверхности; границы нанесения и требования к подготовке должны быть документированы.

В документации также должны быть определены уровни, при достижении которых требуется принятие мер. К ним относятся постоянная влажность, повторяющееся загрязнение солями, измеримый питтинг, превышающий расчетный припуск, трещины у коррозионных язв, заблокированный дренаж или усталостные повреждения вблизи корродированных узлов. В таком случае меры могут включать исправление дренажа, локальную очистку, нанесение покрытия, измерение толщины, оценку несущей способности или замену элемента.

Ни один отдельный индекс, марка материала, категория коррозионной агрессивности или цвет патины не заменяет такую оценку. Стойкость к атмосферной коррозии является условной эксплуатационной характеристикой. Решение приемлемо только тогда, когда химический состав, условия воздействия, геометрия, конструктивные требования и последующая инспекция согласованы между собой.

Источники

1. [1]Federal Highway Administration. Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration research publication, 2011. https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/bridge/11062/001.cfm
2. [2]ASTM International. ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International standard, 2010. https://store.astm.org/g0101-04r10.html
3. [3]Steel Construction Institute. Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. SCI Guidance Note 1.07, 2015. https://www.steelconstruction.info/images/a/aa/GN_1-07.pdf
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Standard, 2012. https://www.iso.org/standard/53499.html
5. [5]Federal Highway Administration. Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration guidance, 2003. https://www.fhwa.dot.gov/bridge/t514022.cfm
6. [6]Federal Highway Administration. Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration handbook, 2016. https://www.fhwa.dot.gov/bridge/steel/pubs/nhi16016.pdf