Чтобы посмотреть
представительство
в Вашем регионе
,
перейдите в раздел контакты.




ВМП в социальных сетях:

ГлавнаяАнтикоррозионная защитаПубликации2017 годПрименение цинконаполненных грунтовок ЦВЭС при строительстве мостов

Применение цинконаполненных грунтовок ЦВЭС при строительстве мостов

Фрикционные соединения в конструкции металлических пролетных строений мостовых сооружений занимают важную и значимую роль. От степени их надежности зависит дальнейшая судьба сооружения в целом. Поэтому правильный выбор и учет всех конструктивных и технологических особенностей современного фрикционного соединения очень важны.

Одно из современных требований, предъявляемое к болтовым стыкам, исходит со стороны экологов все чаще они запрещают применение на монтаже пескоструйной очистки контактных поверхностей. С другой стороны, технологический процесс, связанный с пескоструйной очисткой контактных поверхностей, ресурсозатратен, или попросту говоря – очень тяжелый труд. Именно эти два серьезных обстоятельства подтолкнули инженерную мысль к созданию покрытия для контактных поверхностей, наносящегося в заводских условиях в стадии заводского изготовления конструкций пролетных строений и не требующего в дальнейшем на строительной площадке на стадии монтажа никаких дополнительных подготовительных процедур.

Одним из современных изобретений в области подготовки контактных поверхностей фрикционного соединения, обеспечивающего расчетный коэффициент трения по контактным поверхностям, является цинконаполненная отечественная грунтовка ЦВЭС. Контактные поверхности фрикционно-болтовых соединений, защищенные от коррозии при заводском изготовлении грунтовками ЦВЭС, обеспечивают коэффициент трения µ= 0,58 и не требуют дополнительной очистки пескоструйным способом.

Цинконаполненная композиция ЦВЭС (ТУ 2312-004-12288779-99) состоит из двух компонентов: компонент А – связующее этилсиликат по ТУ 0165-09-95; компонент Б – наполнитель – цинковый порошок марки ПЦВД по ТУ 49АК-А064-02-93. Протекторная грунтовка ЦВЭС защищает сталь от коррозии в атмосферных условиях во всех климатических районах, в морской и пресной воде, в водных растворах солей, а также в нефти и нефтепродуктах.

Покрытие неустойчиво в спиртах и ряде органических растворителей. Термостойкость – длительная до 150°С, кратковременная до 200°С. О том, что фрикционные соединения с защитным покрытием ЦВЭС надежно и долговременно могут эксплуатироваться, можно судить, изучив анализ фундаментальных научных и практических данных о процессах на границах раздела фаз стали и цинка (ЦВЭС) при воздействии внешних нагрузок (действия усилия натяжения болтов). Работы выполнены разработчиком этой технологии ЗАО НПО «ВМП» (г. Екатеринбург, д.т.н., профессор Фришберг И.В.).

По результатам такого анализа сделаны выводы:

  1. Подбор состава и нанесение фрикционного грунта.
    В составе грунта должно преобладать вещество, способное к твердофазному взаимодействию со стальной основой в условиях эксплуатации сооружения. Для этого используют цинконаполненный грунт с содержанием порошка цинка не менее 90% и малым количеством пленкообразующего соединения.

  2. Материал грунта и стальная основа должны обладать развитой поверхностью контакта друг с другом для последующего однородного их взаимодействия. Достаточным условием соблюдения этого принципа является нанесение грунта на стальную поверхность, обработанную дробеструйным способом.

  3. На стыкованных поверхностях конструкций должна быть сохранена равномерность чередования материала фрикционного грунта и стальной основы.
    Он выполняется, если на обеих обработанных стальных поверхностях накладывают слой грунта по толщине, не превышающей или чуть меньшей глубины шероховатости поверхности отдробеструенной стали. При шероховатости Rz 50–80 мкм толщина защитного слоя составляет 50–70 мкм.

Практическое исполнение второго и третьего принципов сводится к следующим действиям со стыкующимися контактными поверхностями.

Поверхности сначала подвергают дробеструйной обработке в соответствии с ISO 9001, затем на каждую из них наносят фрикционный цинкосодержащий грунт так, чтобы не перекрыть шероховатые стальные «верхушки». После этого поверхности можно состыковывать. В период работы конструкции под нагрузкой на стыках между цинком фрикционного грунта и стальной основой произойдут необратимые фазовые превращения.

При определенном усилии натяжения высокопрочных болтов во фрикционных соединениях под давлением происходят физико-химические явления, которые в процессе эксплуатации стальных пролетных строений обеспечивают стабильную несущую способность соединения. Такие явления происходят при контакте Fe + Fe, Fe + Zn + Fe, то есть сталь + сталь, сталь + ЦВЭС + сталь («Вестник мостостроения» №1, 2013 г.).

При твердофазном взаимодействии стальной поверхности с порошком цинка образуются химические соединения железа и цинка различного состава и структуры, его толщина может достигать 70 мкм. В дополнение к цинконаполненной грунтовке ЦВЭС разработана фрикционная композиция ЦВЭС-А. ЦВЭС-А – защитно-фрикционная композиция на основе этилсиликатного связующего, разработанная тоже НПХ ВМП и изготавливающаяся по ТУ2312-092-12288779-2013.

Наряду с цинком в эту композицию входит абразивный материал. Размер зерен абразивного материала по внешнему виду значительно превосходит размер зерен цинка. Точные размеры этих зерен разработчиком не оглашаются.

ЦВЭС-А наносят вторым слоем на отвердевшую защитную грунтовку ЦВЭС. Таким образом, получается защитно-фрикционная система ЦВЭС + ЦВЭС-А суммарной толщиной 60 мкм без учета размера корундовых зерен. В ЦВЭС-А фрикционая композиция с абразивными включениями «А», которые по размеру зерен превосходят толщину слоя грунтовки ЦВЭС и величину шероховатости контактных поверхностей.

Проектный институт ООО «ТРАНССТРОЙПРОЕКТ» широко применяет защитные покрытия ЦВЭС в контактных поверхностях фрикционных соединений с расчетным коэффициентом трения µ=0,58 при сооружении мостовых переходов различных назначений (пешеходных, автодорожных и железнодорожных). За последнее десятилетие запроектировано и введено в эксплуатацию более двух десятков мостовых сооружений. Например, городская железнодорожная эстакада протяженностью 2,5 км в городе Астана и паромный комплекс порта Курык, построенные в 2016 году.

Строительство этих объектов велось в жестких условиях экологических требований и сжатых сроков монтажа металлоконструкций. Проект железнодорожной эстакады к новому вокзалу в городе Астана с защитным покрытием ЦВЭС удостоен диплома лауреата конкурса на международной выставке «Металлоконструкции» в 2016 году.

Основным производителем мостовых стальных конструкций с защитным покрытием контактных поверхностей по проектам ООО «Трансстройпроект» является ООО «Тюменьстальмост», которое создано на базе лучших технологий производства металлоконструкций, заимствованных с Курганстальмоста и «Мостовика», г. Омск.

Однако в среде проектных организаций эта технология не нашла широкого применения, несмотря на ее существенные технико-экономические показатели. Причиной тому явились нестабильные результаты значений коэффициента трения на образцах-свидетелях, подготовленных на различных заводах изготовителях металлоконструкций. Значения коэффициентов трения могли колебаться от 0,35 до 0,65.

Проведенный анализ испытаний образцов-свидетелей с защитным фрикционным покрытием показал низкие значения коэффициента трения (µ = 0,40) на большинстве мостовых заводов: «Воронежстальмост», «Курганстальмост», «Улан-Удэстальмост», Ярославском заводе №50.

В целях выяснения причин значительного расхождения значений коэффициента трения были выполнены дополнительные опытно–экспериментальные работы и проведены анализы условий производства металлоконструкций на специализированных заводах, применяющих технологию нанесения защитного покрытия на контактные поверхности.

Программа проведения опытно-экспериментальных работ и анализ производства металлоконструкций были построены на основе соблюдения вышеприведенных трех основных принципов, обеспечивающих коррозионную защиту и фрикционные свойства контактных поверхностей соединения:

  1. влияние состава фрикционного грунта;

  2. технология подготовки контактных поверхностей;

  3. технология нанесения защитного грунта.


Рис. 1. Места замеров шероховатости

Для выполнения поставленной задачи были подготовлены две серии образцов. В первой серии образцы готовили на мостовых заводах по технологии, действующей на данный период при заводском изготовлении металлоконструкций. Вторую серию образцов подготовили с соблюдением специально подготовленной технологии обработки контактных поверхностей.

К работе были привлечены мостовые заводы ОАО «Мостостройиндустрия» (Чеховский ЗММК, Ярославский завод №50 и Люберецкий завод), Борисовский ЗММК и ОАО «АГИС ИНЖИРИНГ», изготавливающие промышленные конструкции. Каждый мостовой завод использовал для очистки контактных поверхностей стандартную дробь по установившейся заводской технологии.

Таблица 1. Результаты измерений шероховатости R и расстояний между вершинами S на базовой длине 4 мм

На большинстве заводов, изготавливающих мостовые металлоконструкции, процесс подготовки контактных поверхностей для нанесения защитной фрикционной грунтовки совмещен с подготовкой металлоконструкций перед их общей покраской. В нашем эксперименте на трех заводах: Чеховском, Люберецком и Борисовском ЗММК, — контактные поверхности очищали дробеструйным способом (партия образцов №1 и №2), на Ярославском заводе №50 – дробеметным способом (партия образцов №3), на ООО «АГНС ИН-ЖИРИНГ» – химическим способом в кислотно-щелочных ваннах (партия образцов №4). Величину шероховатости очищенных поверхностей образцов определяли на неогрунтованных поверхностях средних пластин собранных образцов, по каждой партии первой серии. Шероховатость контактных поверхностей измеряли по трем базовым линиям – вдоль оси отверстия и по краям пластин, как показано на рис. 1. Измерения выполняли в соответствии с ГОСТ 2789-73 контактным способом профилометром Mar Surf M 300 в МГТУ имени

Н.Э. Баумана. Значения величин шероховатости контактных поверхностей приведены в табл. 1, из которой видно, что ее величина сопоставима в каждой серии и в различных партиях образцов и находится в регламентируемом интервале от 60 до 85 мкм на базовой длине измерения 4 мм. Исключение составляет партия №4. Шероховатость низкая, практически неощущаемая, сопоставимая со шлифованной поверхностью, так как эти поверхности очищали химическим способом. Изготовление и испытание образцов на определение коэффициента трения проводили в соответствии с Приложением Л СТП 006-97. Сборку образцов производили не ранее 7 дней после окраски пластин. Образцы испытывали не ранее чем через 5 дней после сборки образцов и натяжения болтов по расчетному крутящему моменту, в течение которого происходила релаксация усилия в болтах. Температура испытания 18 –20°С.

Коэффициент трения определяется по формуле:

где Q – усилие сдвига, полученное при испытании, тс;

2 – число контактирующих поверх-ностей;

P – нормативное усиление натяжения высокопрочного болта, равное для болта М22 – 22,5 тс.

Перед сборкой испытываемых образцов у высокопрочных болтов проверяли коэффициент закручивания не менее 5 болтов из партии, используемой для сборки. Испытание болтов проводили в специализированной лаборатории на оборудовании, регистрирующем при испытании величину прилагаемого к гайке крутящего момента и величину усилия натяжения болта, и далее учитывали условия релаксации с увеличением усилия натяжения на 10%.

Испытание образцов на коэффициент трения выполняли в специализированной лаборатории МТФ «МО-4» на гидравлическом прессе, обеспечивающем регистрацию усилия, деформацию и графическое построение диаграмм. Результаты испытаний приведены в табл. 2 и 3.

Результаты испытаний первой серии образцов при нерегламентированном способе очистки контактных поверхностей, выполненных на разных мостовых заводах, позволяют сделать предварительные выводы:

1. Влияние шероховатости на коэффициент трения.

Результаты с незащищенными поверхностями, приведенные в табл. 2, показывают, что при одинаковой величине шероховатости  Rz 60—85 мкм (табл. 1), значения коэффициента трения различны и составляют от 0,33 до 0,65. И наоборот, при различной величине шероховатости от 5–10 мкм – при химической очистке до 60—мкм – при дробеструйной, коэффициент трения отличается незначительно и составляет, соответственно:µ = 0,46 – при химической обработ-ке; µ = 0,51 – при дробеструйной очистке.

Приведенные в табл. 3 значения коэффициентов трения образцов с обработанной поверхностью по табл. 2 и дополнительно покрытые защитной абразивной композицией ЦВЭС + ЦВЭС-А указывают на взаимосвязь значений коэффициентов трения. В данном варианте коэффициент трения тот же, что и с незащищенными поверхностями, то есть при дробеметной очистке µ = 0,46 и, соответственно, µ = 0,55. Данные табл. 2 и 3 показывают, что отсутствует прямая зависимость между шероховатостью контактирующих поверхностей и полученными значениями коэффициентов трения.

2. Влияние способа и техники обработки контактных поверхностей – очистка дробеструйным и дробеметным способами. Подтверждены результаты ранее проведенных исследований влияния способов очистки контактных поверхностей на коэффициент трения, которые регламентированы в строительных нормах СНиП 2.05.03-84, СНиП 3.06.04-91 и СТП 006-97, где коэффициент трения при дробеметной очистке µ = 0,38, а при дробеструйной — µ = 0, 58.

Таблица 2. Значения коэффициента трения при нерегламентированном способе очистки контактных поверхностей без защитного покрытия

Таблица 3. Значения коэффициента трения при нерегламентированном способе очистки контактных поверхностей, покрытых ЦВЭС + ЦВЭС-А

По установившейся технологии подготовки контактных поверхностей металлоконструкций под покраску многие заводы применяют дробеметные установки, а степень подготовки этих поверхностей определяют по величине шероховатости  Rz 50–70 мкм. В целях определения влияния состава дроби и вида фрикционного покрытия на значения коэффициента трения вторую серию образцов подготовили по единой специальной технологии: листовой прокат после предварительной очистки от металлургической окалины на заводских механизированных линиях подвергали повторной абразивной обработке дробеструйным способом. Каждый завод подготавливал образцы, используя дробь, которую применял для очистки металлоконструкций. Одним обязательным условием являлась единая техника очистки поверхности.

Сопло дробеструйного аппарата располагали на расстоянии около 30 см и под углом 50-75° к очищаемой поверхности. Фрикционную грунтовку ЦВЭС подготавливали и наносили в соответствии с ТУ 2312-004-12288779-99:— перемешивали компоненты связующего и цинка до однородного состояния;— доводили грунтовки до рабочей вязкости 21 сек. по В3-246;— перемешивали перед нанесением;— наносили безвоздушным распылением в один-два слоя.

При нанесении грунтовки ЦВЭС сопло распылителя располагали перпендикулярно к окрашиваемой поверхности на расстоянии не более 30 см. Толщина нанесенной пленки составила 60 — 80 мкм. Абразивную композицию ЦВЭС-А наносили кистью.

Таблица 4. Значения коэффициентов трения µ в зависимости от состава дроби при дробеструйной очистке контактных поверхностей

При проведении опытно-экспериментальных работ подготовили 3 партии образцов с различным видом контактных поверхностей:— очищенные без покрытия;— очищенные и покрытые грунтовкой ЦВЭС по ТУ 2312-04-12288779-99;— очищенные и покрытые слоем грунтовки ЦВЭС толщиной 40 - 60 мкм и дополнительно ЦВЭС-А по ТУ 2312-092-12288779-2013.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 4, показали стабильно высокие значения коэффициента трения не менее 0,58 независимо от вида и состава дроби. Исключение может составить дробь Profilium 058.

Ее показатели превышают значения других марок дроби.Приведенные результаты показывают, что композиция ЦВЭС-А не придает фрикционному соединению каких-либо преимуществ в сравнении с соединениями без покрытия и с покрытием грунтовкой ЦВЭС.

Эксперименты показали, что основным защитно-фрикционным материалом контактных поверхностей в болтовых соединениях является цинк. Его слой толщиной 50 — 80 мкм, нанесенный на контактирующую поверхность, соизмерим с величиной шероховатости этой поверхности Rz = 60 — 80 мкм, и обеспечивает коэффициент трения свыше 0,58. В практике мостостроения применяли подобные системы в виде смеси корундового порошка в эпоксидном клее. Эта технология нашла отражение в СНиП 3.06.04-91. Например, во фрикционных соединениях на высокопрочных болтах эту технологию применили при строительстве моста «Северный» через реку Днепр в городе Киев.

Технология нанесения корундовой смеси по СНиП 3.06.04-91 отличается от технологии нанесения ЦВЭС-А по ТУ 2312-092-12288779-2013.

В первом варианте корунд внедряют в жидкую массу клея, который предварительно наносят на одну из контактных поверхностей, а в предлагаемом варианте корундовую композицию в ЦВЭС-А наносят на предварительно нанесенную на поверхность грунтовку ЦВЭС.

По СНиП корунд наносится в виде чистого порошка, в предлагаемой – смесь корунда с цинконаполненным грунтом, то есть зерна корунда покрыты цинковой смесью.

По СНиП клей с корундом наносят на одну контактирующую поверхность, а вторая остается чистой, в предлагаемой смесь наносят на обе контактные поверхности.

В результате в первом варианте зерна корунда контактируют непосредственно со стальной поверхностью, а во втором – корунд, находящийся в цинковой оболочке, контактирует с пленкой цинкового грунта.

Испытания показали, что корунд, блокированный цинкосодержащей грунтовкой, не оказывает какого-либо влияния на значения коэффициента трения. Значения коэффициента трения меняются в зависимости от активного контакта цинка со стальной поверхностью.То, что основным защитно-фрикционным материалом является цинк, подтверждают эксперименты с применением горячего цинкования для покрытия контактных поверхностей (табл. 3).

Дополнительно проведены опытные работы по нагреву контактных поверхностей с защитным покрытием ЦВЭС и ЦВЭС-А. Контактные поверхности, покрытые этими композициями, дополнительно подвергали огневой обработке для того, чтобы снизить действие связующих свойств этилсиликата. Этилсиликат по своим техническим характеристикам теряет связующие свойства при нагревании свыше 150°С и не устойчив в органических растворителях – спирте.

Ранее испытанные образцы из четырех серий (см. табл. 3) разобрали (развинтили гайки), а контактные поверхности в зоне контактного пятна прогрели пламенем газокислородного резака. Нагрев заключался в непрерывном перемещении ядра пламени по поверхности контактного пятна. Температура нагрева металла в зоне контактного пятна составила 120–140°С (по бесконтактному прибору). Затем охлажденные до 20°С пластины собрали повторно, затянули на изначальное усилие и выдержали в течение 7 суток. Результаты повторных испытаний показали увеличение коэффициента трения в сравнении с первоначальными на 10-20% и составили рост коэффициента трения от 0,55 до 0,61 и от 0,40 до 0,57.

Проведенный эксперимент показал, что в используемом защитном покрытии связующее снижает коэффициент трения, а высвобожденный от связующего цинк обеспечивает высокий коэффициент трения

Выводы. Предложения.

  1. Опытно-экспериментальные работы показали, что коэффициент трения во фрикционных соединениях на высокопрочных болтах в основном зависит от способа подготовки контактных поверхностей для нанесения защитного покрытия. Гарантированной считается поверхность, обработанная колотой дробью, фракцией 0,2 — 0,8 мм, при определенной технике обработки. Основное требование заключалось в расположении сопла дробеструйного аппарата на расстоянии около 30 см и под углом 60–75° к очищаемой поверхности. А в процессе нанесения грунтовки ЦВЭС безвоздушным способом при помощи аппарата высокого давления сопло распылителя располагали на расстоянии не более 30–40 см и под углом 50–75° в зависимости от состава дроби.

  2. Основным фрикционным материалом, обеспечивающим коэффициент трения, является цинк, входящий в цинконаполненные грунты на этилсиликатной основе. Содержание цинка в сухой пленке покрытия должно быть не менее 90%.
    Во фрикционных соединениях, покрытых грунтовкой ЦВЭС, с течением времени происходит повышение их несущей способности вследствие снижения влияния связующих свойств этилсиликата, входящего в состав грунтовки. Результаты испытаний по пяти мостостроительным заводам показали близкие значения коэффициента трения, превышающие 0,58 независимо от марки дроби и ее состава. Наличие корунда в составе цинконаполненной грунтовки не создает каких-либо преимуществ.

  3. При проектировании, заводском изготовлении и монтаже мостовых металлоконструкций руководствоваться разделом 6 СТО-01393674-005-2013 «Устройство разъемных соединений в стальных конструкциях мостов». На заводах изготовителях мостовых конструкций при подготовке производства нового объекта с защитно-фрикционными соединениями необходимо выполнить подготовку технологии дробеструйной очистки и способа нанесения покрытия. Качество подготовки оценивать на образцах-свидетелях.
    Результаты испытания образцов направлять заказчику металлоконструкций с отгрузкой первой партии конструкций. Технические требования по подготовке контактных поверхностей вносить в «Общие технические указания» разрабатываемого проекта.

  4. Рабочие, занятые подготовкой контактных поверхностей, должны ежегодно проходить аттестацию заводской аттестационной комиссией. Их квалификация должна оцениваться и подтверждаться испытаниями образцов-свидетелей.



К списку статей за 2017 год
К общему списку статей