Расчет ресурса эксплуатации изделий

Одна из главных задач при проектировании приборов, конструкций, сооружений – обеспечение работоспособности в течение требуемого срока эксплуатации (гарантийного периода). А поскольку одним из основных факторов срока службы изделий является устойчивость к коррозии, необходимо подобрать подходящие средства противокоррозионной защиты.

Таким образом, перед проектировщиком возникает вопрос: возможно ли рассчитать срок службы изделия, зная в каких условиях он будет эксплуатироваться потребителем? 

Существует два фактора, влияющих на скорость коррозии в условиях реальной эксплуатации:

1. Сочетание климатических показателей, таких как температура, влажность, продолжительность увлажнения.

Поскольку коррозия металлов – это разрушение металлов вследствие электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой, то в сухом климате она будет протекать медленнее, а во влажном скорость коррозии будет больше в следствие того, что присутствует электролитическая среда. Если металлическое сооружение расположено близко к морю, то концентрация солей и влажность возрастает, и, как следствие, коррозия будет протекать еще быстрее. Также интенсивность коррозии увеличивается с повышением температуры.

2. Наличие в атмосфере коррозионных реагентов, которые вступают во взаимодействие с металлом и приводят к его растворению.

Интенсивность коррозии металлических сооружений зависит от концентрации (уровня) и типа газообразных и твердых загрязняющих веществ в атмосфере и продолжительности их воздействия на металлическую поверхность. К таким веществам относятся SO₂, Cl₂, H₂S, NO₂, HNO₃ и прочие.

Обратимся к нормативной документации и рассмотрим ряд документов, которые разделяют условия эксплуатации и предлагают формулы для расчета предельного срока эксплуатации. Выделим преимущества и недостатки каждого нормативного документа в плане оценки срока службы объекта.

ГОСТ 15150-69
«Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды»

Этот ГОСТ является одним из наиболее часто используемых проектировщиками и производителями оборудования, поскольку очень подробно описывает климатические факторы. Прочие стандарты, регламентирующие средства защиты от коррозии опираются, в первую очередь, на ГОСТ 15150-69.

В данном стандарте приведены:

• климатические исполнения и их критерии выделения;

• нормальные значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации и испытаниях;

• категории размещения изделий;

• формулы для расчета срока службы и эффективных значений климатических факторов.

Климатические исполнения изделий приведены для эксплуатации на суше, реках, озерах и в морской среде. 

Таблица 1. Климатические исполнения изделий

Каждый из этих типов характеризуется следующими параметрами: температурой воздуха при эксплуатации (рабочее и предельное рабочее значения), рабочие значения влажности воздуха (сочетания относительной влажности и температуры).

Помимо этого, в стандарте учитываются следующие места размещения изделий (категории размещения): эксплуатация на открытом воздухе, под навесом, в закрытых помещениях. Кроме этого, учитывается наличие вентиляции в помещении, колебания температуры, влажность.

Есть даже разделение атмосферы по загрязненности в зависимости от концентрации сернистого газа и хлоридов.

Разработчики стандарта предлагают формулу расчета срока службы объекта в зависимости от температуры (T), относительной влажности воздуха (), концентрации агрессивной среды воздуха (C).

Как видно, в формуле имеются коэффициенты А, В, n, m, зависящие от природы материала и условий применения. При этом все коэффициенты определяются экспериментально, причем методика определения в ГОСТе не описана.

Таким образом, без знания точных значений коэффициентов А, В, n, m невозможно с достаточной точностью определить срок службы конструкции при данных условиях эксплуатации.

Преимущества: подробное разделение условий эксплуатации по климатическим факторам.

Недостатки: несовершенство методики оценки срока службы объекта.

ГОСТ 9.039-74 

«Единая система защиты от коррозии и старения. Коррозионная агрессивность атмосферы»

Согласно данному стандарту коррозионную агрессивность атмосферы характеризуют интенсивность увлажнения поверхности материалов и концентрация коррозионно-активных агентов в воздухе.

В стандарте приведены: 

• типы атмосферы;

• степени коррозионной агрессивности атмосферы;

• формулы для расчетов продолжительности увлажнения поверхности;

• методики определения содержания и выпадения двуокиси серы и хлоридов.

Типы атмосферы устанавливают в соответствии с градацией загрязнения атмосферы двуокисью серы и хлоридами. Градация атмосферы приведена в зависимости от количества выпадения двуокиси серы и хлоридов. В соответствии с этим выделяют следующие типы атмосферы: условно-чистая, городская, промышленная и промышленная сильно загрязненная, приморская, морская, приморско-промышленная. 

Устанавливают пять степеней коррозионной агрессивности атмосферы: незначительно агрессивная, малоагрессивная, среднеагрессивная, сильноагрессивная и очень сильноагрессивная.

Приведены значения продолжительности увлажнения поверхности пленками влаги в зависимости от географического расположения. Если необходимый пункт отсутствует разработчики стандарта предлагают формулы для их расчета, которые включают в себя продолжительность общего увлажнения поверхности и постоянную, значения которой представлены в зависимости от района.

В зависимости от продолжительности общего увлажнения оценивают коррозионную агрессивность атмосферы по девятибалльной шкале. На основании установленной балльной системы приведена коррозионная агрессивность климатических зон и районов.

Таблица 2. Коррозионная агрессивность климатических зон и районов

Кроме этого, в стандарте представлены методики определения содержания двуокиси серы, хлоридов и аммиака в воздухе, а также методики определения количества выпадения двуокиси серы и хлоридов. 

Преимущества: балльная система оценки коррозионной агрессивности атмосферы с учетом как климатических факторов, так и наличия загрязнений; определение коррозионной агрессивности атмосферы в зависимости от географического расположения на территории бывшего союза ССР; подробное описание методик определения концентраций и количества выпадения двуокиси серы и хлоридов.

Недостатки: для оценки коррозионной агрессивности атмосферы учитываются всего три типа соединений – двуокись серы, аммиак и хлориды; отсутствуют методики расчета сроков службы материалов и покрытий; отсутствуют рекомендации по применению средств защиты от коррозии в зависимости от зоны эксплуатации и коррозионной агрессивности; потеря актуальности в связи с изменением климатических и экологических факторов за почти 50 лет с момента введения ГОСТа.

ГОСТ 9.303-84 

«Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Общие требования к выбору»

Данный стандарт устанавливает общие требования к выбору металлических и неметаллических неорганических покрытий деталей, наносимых химическим, электрохимическим и горячим способами.

В стандарте приведены:

• критерии при выборе покрытия;

• тип и толщина покрытий;

• основные характеристики покрытий.

Критерии, которые при выборе покрытий следует учитывать: назначение детали, назначение покрытия, условия эксплуатации детали по ГОСТ 15150, материал детали, свойства и способ получения покрытия и их влияние на механические и другие характеристики материала детали, экологичность металла покрытия и технологического процесса нанесения, допустимость контакта металлов и металлических и неметаллических покрытий, экономическая целесообразность.

Тип и толщина покрытия приведена с учетом назначения и условий эксплуатации покрытия. Стандарт устанавливает минимальную толщину покрытия, которая обеспечивает защитную способность и его функциональные свойства в заданных условиях при длительных сроках службы изделия (какой именно срок в годах подразумевается под длительным сроком службы не указывается). Также приведена допустимая максимальная толщина покрытия, которая устанавливается в зависимости от минимальной.

Кроме этого представлены основные характеристики покрытий и экологические характеристики металлов. Покрытия, приведенные в стандарте – цинковое, кадмиевое, никелевое и никелевое химическое, хромовое, медное, покрытие сплавом медь-олово; олово-никель; олово-висмут; олово-свинец; золото-никель, оловянное, золотое, серебряное, палладиевое, родиевое, анодно-окисное, химическое окисное и пассивное, химическое фосфатное.

Преимущества: учитывает большое количество факторов при выборе защитного покрытия; широкий диапазон материалов покрытия.

Недостатки: не учитывает способ нанесения покрытия; непонятно что подразумевается под «длительным сроком службы»; потерял актуальность в связи с развитием технологий защитных покрытий.

ГОСТ Р 51801-2001

«Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям в части стойкости к воздействию агрессивных и других специальных сред»

Специальные среды – это среды, внешние по отношению к изделию, которые вызывают или могут вызвать ограничение или потерю работоспособности изделия в процессе эксплуатации, транспортирования или хранения.

Данный стандарт устанавливает:

• классификацию специальных сред;

• классификацию условий эксплуатации, транспортирования и хранения изделий в части воздействия агрессивных сред.

Изделия должны быть стойкими к воздействию специальных сред следующих классификационных групп: масла, смазки на основе нефтепродуктов и синтетические; топлива на основе нефтепродуктов; органические растворители; среды заполнения и испытательные среды; агрессивные среды; рабочие растворы; специальные охлаждающие жидкости. Также в стандарте представлены виды специальных сред, входящих в каждую группу (например, в специальные среды группы 4 входят: аргон, аргон + азот, гелий и азот).

Приведены таблицы, согласно которым определяют группы условий эксплуатации, транспортирования и хранения изделий, а также номинальные условия эксплуатации, транспортирования и хранения изделий в части воздействия агрессивных сред, содержащихся в атмосфере на открытом воздухе. А также группы и номинальные условия эксплуатации, транспортирования и хранения изделий в части воздействия агрессивных сред, концентрация которых превышает их содержание в атмосфере на открытом воздухе.

Кроме этого в стандарте представлены характеристики и примеры мест размещения изделий при их эксплуатации, транспортировании и хранении в зависимости от условий агрессивности. 

Также приведены ориентировочные соотношения жесткости групп условий агрессивности. И говорится, что жесткость условий агрессивности в основном определяется действием сочетания значений относительной влажности и температуры воздуха, концентрации агрессивной среды и ее вида.

Преимущества: разделение агрессивных сред на группы с учетом климатических факторов и типов коррозионных агентов; учитывает 9 видов химических соединений при оценке групп агрессивности.

Недостатки: отсутствуют рекомендации по выбору средств защиты от коррозии.

СП 28.13330.2017 

«Защита строительных конструкций от коррозии»

Достаточно часто проектировщики и строительные организации, которые занимаются возведением крупных объектов (жилые комплексы, заводы, порты), используют «СП 28.13330.2017 Защита строительных конструкций от коррозии».

Преимущества данного нормативного документа заключаются в том, что он включает в себя информацию из вышеописанных стандартов и написан при участии профильных институтов, специализирующихся в вопросах защиты от коррозии.

Раздел 5 стандарта посвящен защите от коррозии металлических конструкций.

Степень агрессивности атмосферы разделена по характеру среды (газовая, жидкая, твердая) и по её составу на три степени: слабоагрессивная, среднеагрессивная и сильноагрессивная. Что касается газовых сред, то степень агрессивности определяется группой агрессивности газов – A, B, C и D. Для каждой группы определены пределы концентрации газов. В перечень газов, определяющих агрессивность среды, входят диоксид углерода, аммиак, диоксид серы, фторид водорода, сульфид водорода, оксиды азота, хлор и хлорид водорода. 

Даны рекомендации по мерам противокоррозионной защиты как для несущих, так и для ограждающих металлических конструкций. В зависимости от степени и группы агрессивности это могут быть и металлические, и лакокрасочные покрытия, причем лакокрасочные покрытия разбиты на группы. Требования по защите указаны для конструкций со сроком эксплуатации 50 лет.

В зависимости от общих условий эксплуатации конструкций присвоены индексы С1, С2, С3, С4 и С5.

Преимущества: сочетает в себе данные стандартов группы ЕСЗКС (Единая система защиты от коррозии и старения); учитывает 8 видов химических соединений при оценке степени агрессивности; признан в строительной отрасли как основной документ, регламентирующий средства защиты от коррозии для конструкций со сроком эксплуатации 50 лет.

Недостатки: узкая градация степеней агрессивности (всего три); делают акцент на покрытия толщиной от 40 мкм, игнорируя требования к толщинам покрытий резьбовых элементов.

ГОСТ ISO 9223-2017

 «Коррозия металлов и сплавов. Коррозионная агрессивность атмосферы. Классификация, определение и оценка»

Настоящий стандарт устанавливает:

• категории коррозионной агрессивности атмосферы;

• классификацию коррозионной агрессивности атмосферы;

• типичные атмосферные виды загрязнения и уровни их воздействия;

• типичные атмосферные условия, связанные с оценкой коррозионных воздействий.

Коррозионная агрессивность атмосферы подразделяется на шесть категорий: очень низкая С1, низкая С2, средняя С3, высокая С4, очень высокая С5 и экстремально высокая СХ.

Коррозионная агрессивность атмосферных условий может быть классифицирована либо способом определения коррозионного воздействия, либо, если это невозможно, оценкой коррозионного воздействия. Для первого способа классификации приведены численные значения скорости коррозии за первый год испытаний для стандартных металлов (углеродистая сталь, цинк, медь и алюминий) для каждой категории коррозионной агрессивности атмосферы. Второй способ основан на оценке потерь от коррозии. Представлены формулы для расчета первого года потерь от коррозии для разных конструкционных металлов в зависимости от среднегодовой температуры, среднегодовой относительной влажности, среднегодового количества осажденных SO₂ и Cl-. Эти формулы являются эмпирическими.

Оба способа оценки коррозионных свойств характеризуются некоторыми неопределенностями и ограничениями. Представлены источники неопределенности, связанные с определением и оценкой атмосферной коррозии; распределение ошибок и уровни неопределенности.

Загрязнения разделяются на две основные группы: загрязнение диоксидом серы и наличие в воздухе соляного тумана. Приведено время воздействия влажности в различных условиях воздействия для различных условий эксплуатации. Также представлена наружная концентрация некоторых загрязняющих веществ (SO₂, NO₂, HNO₃, H₂S, Cl₂ и др.) в различных типах сред. Кроме этого, представлены классификации уровней загрязнения воздушной среды серосодержащими веществами (SO₂) и солями на основе хлоридов в зависимости от их скорости осаждения.

Также в стандарте описаны типичные атмосферные условия для каждой коррозионной категории.

Преимущества: предложен объективный способ оценки коррозионной агрессивности атмосферы по скорости коррозии стандартных образцов; приведены формулы для расчета потерь от коррозии для разных металлов в зависимости от осаждения двуокиси серы и хлоридов, температуры и относительной влажности; группы агрессивности соотносятся с международными стандартами ISO 12944-2 и ISO 14713-1.

Недостатки: отсутствуют рекомендации по выбору средств защиты от коррозии.

EN ISO 14713-1:2009 

«Цинковые покрытия – методические указания и рекомендации по защите от коррозии железа и стали в конструкциях

Часть 1: Общие принципы проектирования и коррозионной стойкости»

Данный стандарт на сегодняшний день является наиболее подходящим нормативным документом для выбора типа и толщины цинкового покрытия для защиты стальных сооружений от коррозии.

В данной части содержатся руководящие указания и рекомендации, касающиеся общих принципов проектирования изделий с цинковым покрытием для защиты от коррозии.

Приводится шесть основных категорий коррозионной агрессивности атмосферы – С1, С2, С3, С4, С5 и СХ, связанные с ISO 9223. Для каждой категории представлена скорость коррозии и уровень коррозии, а также описаны типичные атмосферные среды. Показан срок службы до первого обслуживания для выбора цинковых покрытий, подверженных воздействию диапазона категорий коррозионной активности.

Кроме этого описаны воздействия, которые влияют на коррозионную стойкость. К таким воздействиям относят воздействие почвы, воды, химических веществ, истирание, повышенные температуры, контакт с бетоном, деревом, биметаллический контакт.

Преимущества: предлагает тип и толщину цинкового покрытия для эксплуатации в данной категории коррозионной активности среды с привязкой к минимальному сроку службы конструкции (до первого технического обслуживания); учитывает факторы, которые влияют на срок службы покрытия.

Недостатки: это не национальный стандарт РФ; не учитывает получившие широкое распространение цинк-ламельные покрытия; указанные в стандарте толщины не допустимы для покрытия метизной продукции малых диаметров.

Заключение

Конечно, в статье указаны не все национальные и международные стандарты, описывающие условия эксплуатации и дающие рекомендации по защите металлических изделий и конструкций от коррозии. Мы описали самые используемые и дающие наиболее развернутую информацию по данному вопросу.

Национальные стандарты, введенные в 70-80-х годах прошлого века по большей части устарели и потеряли актуальность в виду изменения климата и экологии, а также значительного развития технологии защитных покрытий.

Конечно, каждый проектировщик использует в своей деятельности ту нормативную документацию, которая предписана к использованию профильными министерствами, и ту, которая дает наиболее объективную информацию. 

Мы же считаем, что на сегодняшний день для оценки коррозионной активности среды следует использовать ГОСТ ISO 9223-2017, поскольку он предлагает наиболее объективный способ оценки коррозионной агрессивности среды. Кроме того, как видно из названия он соответствует международному стандарту ISO 9223.

Что касается выбора противокоррозионного покрытия, то мы рекомендуем руководствоваться СП 28.13330.2017, потому что он сочетает в себе данные многих популярных стандартов, в том числе группы ЕСЗКС. Однако, если вас интересует исключительно цинковое покрытие, то EN ISO 14713-1:2009 поможет выбрать тип и толщину покрытия с учетом максимально возможного количества факторов коррозии.

Если же Вам необходимо рассчитать срок эксплуатации конкретного изделия или конструкции из данного материала, с данным типом покрытия, в данных условиях эксплуатации, то Вам помогут профильные институты (например, МИСиС или ЦНИИПСК им. Н.П.Мельникова), поскольку они владеют уникальными и наработанными годами методиками.