Технологии определения коррозионного состояния металлических конструкций

_{Источник изображения: Freepik}

Своевременно выявить коррозию – значит предупредить распространение разрушительного процесса в материале и разработать соответствующие меры по восстановлению несущей способности, обеспечению безопасности и долговечности металлических конструкций. Также исследования помогут строительной организации снизить риск финансовых потерь и повысить экономическую эффективность эксплуатации сооружений. В этой статье расскажем о механизмах и видах коррозийных процессов, преимуществах и ограничениях современных методов диагностики состояния металлоконструкций. 

Что такое коррозия?

Коррозия металла – изменение технико-эксплуатационных свойств материала под воздействием агрессивных факторов окружающей среды. Такой процесс грозит разрушением и уменьшением срока службы конструкций по причине снижения их прочности, герметичности и надежности. 

По типу воздействующего агрессивного фактора выделяют 2 механизма возникновения коррозии:

1. Химический – развивается при взаимодействии металлов с сухими газами или паром (газовая), текучими неэлектролитами или жидкостями (жидкостное ржавление), которые не проводят электрический ток. Сопровождается окислительно-восстановительной реакцией. Такая коррозия обычно идет при повышенных температурах.
2. Электромеханический – причиной выступает контакт металла со средой, в которой присутствуют электролиты. Процесс развивается на элементах конструкций, расположенных в воде, почве или находящихся в условиях повышенной влажности. Сопровождается возникновением электрического тока.

В большей степени металлические сооружения подвержены атмосферной коррозии, которая составляет 50% случаев. Агрессивность среды увеличивается при усилении загрязненности воздуха. Коррозионный процесс наиболее характерен для трубопроводов, стальных каркасных построек и транспортных сооружений, расположенных в районах с повышенной влажностью или вблизи промышленных зон.

По характеру разрушения коррозию классифицируют на следующие виды:

• сплошная – отличается повреждением всей поверхности материала, может протекать с одинаковой и неравномерной скоростью;
• местная – распространяется на отдельных участках металлических изделий, сопровождается образованием пятен (неглубокое разрушение), язв (раковины), щелей или точек.

Если развитие местного коррозийного процесса начинается под поверхностью материал, то повреждение постепенно распространяется вглубь и приводит к вспучиванию, расслоению проблемного элемента конструкции. Разрушение металла вдоль границ кристаллов называют межкристаллической коррозией – возникает в местах сварных швов или при несоблюдении правил термообработки. Главная опасность процесса заключается в сложности визуального выявления изменений.

К негативным последствиям коррозии на состояние металлоконструкций относят ухудшение эксплуатационных характеристик, снижение прочности и срока службы. При таком процессе происходит ослабление структуры металла, что приводит к уменьшению его способности выдерживать механические и динамические нагрузки. Сооружение теряет устойчивость и начинает разрушаться, что негативно отражается на безопасности его использования. В трубопроводах и резервуарах образуются отверстия, которые становятся причиной утечки транспортируемой среды. 

Учитывая высокий риск серьезных убытков, при строительстве металлических сооружений исполнителю важно предупредить воздействие внешних и внутренних негативных факторов:

• повышенная влажность (от 50%) и температура (более 40 градусов);
• агрессивность среды – появление в воздухе химически активных примесей ускоряет разрушение металла;
• тип и качество материала – коррозийным повреждениям чаще подвергаются неоднородные сплавы, с примесями в виде серы, фосфора или марганца, при наличии на поверхности выраженных дефектов.

При высоком проценте пораженных элементов строительная организация несет большие финансовые потери. Исполнителю придется дополнительно тратиться на новые материалы, выполнять бесплатно незапланированные работы по ремонту конструкции, выплачивать пособие пострадавшим. 

Испытания для оценки коррозийных поражений помогут своевременно отреагировать на деструктивные изменения в материале. На основе полученных результатов исполнитель разработает мероприятия, которые предупредят дальнейшее распространение разрушения и обеспечат защиту конструкции от негативных факторов с учетом конкретных условий эксплуатации.

Традиционные методы оценки коррозионного состояния

Контроль металлоконструкций на предмет признаков коррозии и степени деструктивных изменений проводят в лаборатории или на строительной площадке. Внелабораторные испытания проходят в естественных условиях эксплуатации металлоконструкции, что гарантирует точную оценку долговечности и способности материала противостоять негативным факторам окружающей среды.

_{Источник изображения: Freepik}

Визуальный осмотр считается самым доступным способом проверки состояния элементов сооружения и включает следующие этапы:

• изучение технической документации на соответствие установленным нормам и ГОСТам;
• очистка исследуемых частей конструкции от грязи;
• проверка сварных швов и других поверхностей на предмет видимых дефектов с последующей регистрацией особенностей последних;
• определение вида коррозии.

Такой метод помогает быстро и без применения сложного оборудования установить начальные признаки проблемы, определить необходимость инструментальных и лабораторных исследований. При этом точность оценки зависит от опыта и квалификации специалиста. Также визуальный осмотр не позволит обследовать внутреннюю структуру материала и эффективен лишь при размере дефектов от 0,1 мм.

Следующим этапом обследования выступает инструментальное измерение толщины пораженного коррозией слоя металла.  С помощью микрометра или штангенциркуля замеры проводят минимум в 3-х точках. Для обнаружения скрытых трещин или пустот применяют ультразвуковые дефектоскопы. Магнитные приборы используют при необходимости проверки поверхностных и подповерхностных дефектов. Благодаря инструментальным обследованиям получают данные, которые важны для детального определения состояния сооружения и разработки правильных мероприятий по усилению или ремонту проблемных элементов.

Современные неразрушающие методы диагностики (NDT)

_{Источник изображения: Freepik}

При необходимости проверки трубопроводов под изоляцией, высоком риске распространения коррозии в труднодоступных местах или перед сдачей объекта в эксплуатацию рекомендованы неразрушающие методы диагностики. Главный плюс таких способов заключается в проведении испытаний, которые исключают даже частичное разрушение проблемных элементов. Конструкция проверяется на предмет коррозийных повреждений без демонтажа и срезки отдельных образцов, что помогает выполнить тесты быстрее и с минимальными затратами.

Ультразвуковая дефектоскопия

Применяют при проверке сварных швов для уточнения размера, формы и глубины коррозийного дефекта. Принцип действия метода основан на отражении акустических волн от проблемного места при прохождении через материал.

Ультразвуковая дефектоскопия включает следующие этапы:

• очищают сварной шов и прилегающие участки (50-70 мм) от грязи, налета;
• наносят техническое масло (солидол, глицерин) на поверхность тестируемого элемента;
• устанавливают дефектоскоп;
• перемещают аккуратно излучатель ультразвука вдоль шва;
• отслеживают на мониторе сигналы с максимальной амплитудой. Фиксируют временные интервалы между излученной и отраженной волной;
• результаты исследования записывают в журнал с указанием точного местоположения дефекта.

К достоинствам метода относят высокую точность результатов, быструю скорость обследования, безопасность для человека. Компактные размеры приборов гарантируют удобство тестирования. При этом исследование не подойдет для оценки деталей со сложной конфигурацией, так как естественная кривизна исказит результаты.

Радиографический контроль

Помогает увидеть картину внутренней структуры материала и скрытые дефекты путем просвечивания тестируемой конструкции рентгеновским или гамма-излучением. Считается эффективным методом для выявления таких форм местной коррозии, как трещины и раковины. При прохождении через металл меняется интенсивность волн, что фиксируется на фотопленке. По результатам расшифровки последней устанавливают место расположения коррозийного повреждения.

Радиографический контроль позволит быстро найти дефекты, которые расположены глубоко внутри металла. Но размеры повреждения должны превышать 2% от общей толщины покрытия или измерения не дадут точной картины состояния конструкции. К минусам также относят необходимость защиты оператора и высокую стоимость метода.

Индуктивные методы 

Для оценки толщины поврежденных коррозией участков применяют технологию Eddy Current Testing, принцип которой заключается в использовании электромагнитной индукции. Катушку из токопроводящей проволоки возбуждают переменным током, что приводит к образованию вокруг данного приспособления магнитного поля. Если ее поднести к тестируемой металлоконструкции, то в последней будут образовываться вихревые токи. На наличие дефекта указывает изменение импеданса в катушке.

К плюсам технологии относят возможность быстрого получения точных результатов. При этом отсутствует необходимость прямого контакта с исследуемым объектом. Метод не подойдет для обнаружения подповерхностных дефектов.

Электрохимические методы

Для определения скорости распространения коррозии и влияния разрушительного процесса на металл используют электронный прибор потенциостат. Метод потенциостатического тестирования проводят в лабораторных или промышленных условиях. В основе исследования лежит зависимость скорости анодного растворения металла от потенциала поверхности. 

Исследуемый металлический образец выдерживают в коррозионной среде при постоянном значении потенциала заданный интервал времени. На следующем этапе измеряют плотность тока стабилизации сопоставляют полученное значение с пороговой величиной. Скорость коррозии определяется по поляризационным кривым. Метод славится надежностью, позволяет быстро получить точные результаты.

Методы дистанционного мониторинга 

Наиболее точные результаты оценки коррозийных повреждений дает лазерное сканирование. С помощью такого метода можно определить не только скорость и тип разрушительно процесса, но и рельеф, глубину дефектов. Метод рассчитан на исследование разных материалов, но требует применения специального оборудования.

Точностью, информативностью и возможностью идентификации минералов коррозии порадует метод гиперспектральной визуализации. Для проведения исследований потребуются специальные камеры, которые работают в разных спектрах. Материал подвергают искусственной коррозии в камере соляного тумана, а затем по изображениям с камер определяют спектральные характеристики. 

Для определения состояния конструкций также используют дроны. Последние оснащают камерами высокого разрешения, тепловизорами или датчиками. Такие устройства легко проникают в труднодоступные для человека места – узкие прохода, высотные сооружения. Они помогают быстро осмотреть большие площади, сократить затраты на применение специализированного оборудования и минимизировать риски для человека. При этом дроны проблематично использовать в условиях плохой погоды, близкого расположения приборов, издающих электромагнитные помехи.

Если при строительстве не уделить внимание мерам защиты объекта от коррозии, то металлическая конструкция начнет разрушаться раньше запланированного срока службы по причине ослабления структуры материала. Повысить безопасность и эксплуатационный ресурс сооружения, а также снизить риск финансовых потерь помогут своевременно проведенные коррозионные испытания. Выбор метода последних зависит от цели диагностики, типа материала и условий использования металлоконструкции.