Надежность и долговечность трубчатых элементов стальных конструкций при неравномерных коррозионных повреждениях

Современные подходы и требования к проектированию и экспертной оценке состояния зданий и сооружений предписывают определение количественных показателей их надежности. Этим обусловлена актуальность вопросов разработки методик расчетов надежности строительных систем с учетом их свойств и условий работы.

Коррозионные повреждения элементов металлических конструкций могут с течением времени приводить к утрате их работоспособности. Цель исследований, представленных в статье, – выявление и количественные описания изменения во времени характеристик надежности, по критерию прочности, первоначально центрально растягиваемого стального стержневого конструктивного элемента кольцевого сечения с учетом неравномерного коррозионного износа, вызывающего возникновение сложного сопротивления стержня – растяжения с изгибом. На основе предложенной пространственно-временнóй модели коррозии с использованием методов теории надежности построены расчетный аппарат и алгоритм определения надежности и долговечности элемента. Выполнены расчеты этих характеристик при варьировании стохастических свойств параметров геометрии сечения стержня, его напряженного состояния и модели коррозии при различных степенях агрессивности среды. Нагружение стержня моделировалось стационарной случайной функцией. Результаты расчетов надежности, вероятности отказа, коэффициента коррозии и временнóй плотности вероятности отказа представлены графиками зависимостей этих величин от времени.

Выполнены оценки влияния на надежность и долговечность конструктивного элемента основных расчетных характеристик стержня и модели коррозионных повреждений. Выявлен эффект значительного увеличения вероятности отказа и снижения долговечности при коррозионном износе, неравномерном по контуру сечения, в сравнении со случаем постоянной толщины слоя коррозии, при сопоставимых значениях коэффициентов коррозии.

Представленные в статье методика и результаты расчетов могут быть использованы для получения решений аналогичных задач в иных постановках (по форме сечения, модели коррозии, при нестационарных режимах нагружения и др.), а также для выполнения инженерных расчетов надежности при проектировании металлических конструкций.

1. Розенфельд И.Л. Атмосферная коррозия металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1980. 250 с.

2. Каблов Е.Н., Старцев О.В. Фундаментальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 4(37). С. 38–52. doi:10.18577/2071-9140-2015-0-4-38-52.

3. Uhlig H.H., Revie R.W. Corrosion and Corrosion Control: An Introduction to Corrosion Science and Engineering. John Wiley & Sons, Inc., 1985. 441 p.

4. Козлов В.Г., Титова И.В., Коноплин А.Н., Булыгин Н.Н. Методы борьбы с коррозией металлов // Фундаментальные исследования. 2017. № 6. С. 53–57.

5. Виноградов С.С., Никифоров А.А., Демин С.А., Чесноков Д. В. Защита от коррозии углеродистых сталей // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 8. С. 242–263. doi:10.18577/2071-9140-2017-0-S-242-263.

6. Черепашкин С.Е., Латыпов О.Р., Кравцов В.В. Методы исследования коррозии оборудования нефтегазового комплекса. Уфа: ООО "Изд-во науч.-техн. литературы "Монография", 2016. 104 с.

7. Голдобина Л. А. Анализ причин коррозионных разрушений подземных трубопроводов и новые решения повышения стойкости стали к коррозии // Записки Горного института. 2016. Т. 219. С. 459–464.

8. O’Grady II T.J., Hissey D.T., Kiefner J.F. Pressure Calculation for Corroded Pipe Development // Oil & Gas Journal. 1992. Oct. 19. Pp. 84–89.

9. Ибрагимов А.А., Подорожников С.Ю., Шабаров А.Б. Расчетная модель и алгоритм определения остаточного ресурса трубопровода в условиях периодических изменений напряжений и коррозии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № 4. С. 199–206.

10. Антонов А.В., Острейковский В.А. Ресурс и срок службы оборудования энергоблоков атомных станций. М.: Инновационное машиностроение, 2017. 536 с.

11. Вольберг Ю.Л., Коряков А.С. Учет воздействия агрессивной среды на несущую способность стальных конструкций // Труды МИСИ, 1983. № 183. С. 30–31.

12. Гладштейн Л.И., Лактюшин В.С. Применение атмосферостойких сталей без защитных покрытий в строительных конструкциях. Госстрой СССР. Центральный институт научной информации по строительству и архитектуре, 1979. Вып. 6. 53 с.

13. Голубев А.И. Влияние коррозии металлов на долговечность металлических конструкций // Исследования надежности металлических конструкций: Труды ЦНИИПроектстальконструкция, 1979. С. 85–94.

14. Лащенко М.Н. Повышение надежности металлических конструкций зданий и сооружений при реконструкции. Ленинград: Стройиздат, 1987. 134 с.

15. Бондаренко В.М., Прохоров В.Н. К вопросу об оценке силового сопротивления железобетона повреждению коррозионными воздействиями // Изв. вузов. Строительство, 1998. № 3. С. 30–41.

16. Ржаницын А.Р. Теория расчёта строительных конструкций на надёжность. М.: Стройиздат, 1978. 239 с.

17. Raizer V. Reliability of Structures. Analysis and Applications. Backbone Publishing Company (USA). 2009. 146 p.

18. Ведяков И.И., Райзер В.Д. Надежность строительных конструкций. Теория и расчет: Научное издание. М.: Изд-во АСВ, 2018. 414 с.

19. Vrouwenvelder T. Treatment of risk and reliability in the Euro-codes. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and Buildings. 2008. Volume 161, issue SB4 (August). Pp. 209–214.

20. Себешев В.Г. Расчеты надежности сооружений и конструкций по поликритериальным и обобщенным условиям безотказности // Известия Петербургского университета путей сообщения, 2017. Т. 14. № 1. С. 165–174.

21. Бирюлев В.В., Кошин И.И., Крылов И.И., Сильвестров А.В. Проектирование металлических конструкций. Спец. курс. Учеб. пособие для вузов. Ленинград: Стройиздат, 1990. 432 с.

22. Себешев В.Г. Надежность и долговечность растянутых элементов стержневых конструкций при коррозионных повреждениях // Изв. вузов. Строительство. 2006. № 11–12. С. 100–107.