СТО 36554501-040-2014

     

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

ДИАГНОСТИКА СТАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. МЕТОД МАГНИТНЫЙ, КОЭРЦИТИМЕТРИЧЕСКИЙ

Diagnostics of steel building structures. Magnetic method, coercimetric

Дата введения 2015-01-01

     

Предисловие

Цели и задачи разработки, а также использования стандартов организации в РФ установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила разработки и оформления - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения" и ГОСТ Р 1.4-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты организаций. Общие положения".

Сведения о стандарте:

1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона им.А.А.Гвоздева (НИИЖБ им.А.А.Гвоздева), институтом ОАО "НИЦ "Строительство" (Арефьев Ю.В. к.т.н., Шалыго А.А.), при участии НПФ ООО "Специальные научные разработки" (Безлюдько Г.Я. к.т.н., Соломаха Р.Н.).

2 РЕКОМЕНДОВАН К ПРИНЯТИЮ конструкторской секцией НТС НИИЖБ им.А.А.Гвоздева, протокол N 8/14 от 20 ноября 2014 г.

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ приказом генерального директора ОАО НИЦ "Строительство" N 269 от 04 декабря 2014 г.

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

     Введение

Основными элементами строительных металлоконструкций зданий и сооружений являются колонны, фермы, балки, ригели, связи жесткости, фахверки, элементы покрытия (стропильная система), лестницы, переходы и др. Все эти элементы изготавливают из стандартного листового, фасонного и сортового проката, гнутых, замкнутых сварных профилей, труб из углеродистых и низколегированных сталей по ГОСТ 27772. Строительные металлоконструкции должны служить многие десятки лет.

В качестве основных методов обследования технического состояния металлоконструкций построенных, эксплуатируемых и вводимых в эксплуатацию зданий и сооружений с применением средств неразрушающего контроля являются:

- внешний осмотр и измерения геометрических параметров элементов конструкции (визуально-измерительный контроль);

- ультразвуковая дефектоскопия, в т.ч. ультразвуковая толщинометрия;

- рентгеновская дефектоскопия;

- магнитопорошковая дефектоскопия;

- капиллярная дефектоскопия (в основном, для контроля герметичности в процессе монтажа металлоизоляции и трубопроводов).

Эти методы позволяют обнаруживать недопустимые дефекты в металле (в т.ч. в металле сварных соединений), которые регламентируются соответствующими нормативными документами.

Однако известно, что в основном металле и сварных соединениях металлоконструкций всегда присутствуют и допустимые (по нормативным документам) дефекты. При изготовлении проката металл подвергается термомеханической обработке, которая приводит к появлению напряжений и микроповреждений в металле. В процессе эксплуатации металл подвергается влиянию внешних факторов: коррозия, малоцикловые воздействия внешней нагрузки и др. Эти факторы оказывают негативное влияние на ресурс всего сооружения в целом. Ни один, из вышеперечисленных методов диагностики, не позволяет определить и оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) элементов металлоконструкции, а также степень усталости, как совокупного уровня деградации металла, в результате воздействия эксплуатационных факторов.

При эксплуатации металлоконструкций в металле непрерывно идет накопление микроповреждений, идет накопление усталости металла, а значит, снижается уровень допустимых нагрузок на конструкцию. Поэтому информация о текущем состоянии металла (уровне его усталости) позволила бы оценить уровень безопасности текущей эксплуатации и по мониторингу скорости деградации (уровню НДС) спрогнозировать наступление момента, когда дальнейшая эксплуатация металлоконструкций становится недопустимой. Важно отметить, что при усталостном состоянии металла, не позволяющем дальнейшую эксплуатацию обследуемой конструкции, дефектоскопически металл может быть безупречен для любого, применяемого в строительстве метода диагностики.

Метод диагностики состояния металлоконструкций измерением магнитной характеристики металла - коэрцитивной силы (МКС) - это разновидность магнитного метода неразрушающего контроля (НК). В основу данного метода положены корреляционные зависимости между механическими свойствами металла и физическим параметром - коэрцитивной силой (Нс). По измерениям магнитной характеристики металла - коэрцитивной силы - оценивают его стартовые (исходные) механические характеристики, а также их последующую эксплуатационную деградацию, проводя уже систематический мониторинг усталостного и напряженного состояния. В результате воздействия всей совокупности эксплуатационных факторов в течение срока службы строительных металлоконструкций деградация металла по усталостному типу накапливается и растет вплоть до разрушения. Для углеродистых и низколегированных сталей это сопровождается 3-4 кратным увеличением коэрцитивной силы металла. Такой диапазон изменения величины коэрцитивной силы создает хорошо выраженную физическую основу измерения текущего состояния металла и прогноза поведения металлоконструкций (остаточный ресурс) по известному, определяемому в процессе стендовых испытаний образцов, предельному значению коэрцитивной силы и по реальному состоянию металла, а не формально по сроку его службы. МКС, при всей своей эффективности, не заменяет и не отменяет традиционные методы НК указанные выше, а дополняет их новыми, ранее недоступными возможностями получения информации о величине напряжений, об усталости металла и скорости ее развития, о границах "проблемных" зон с количественной оценкой деградации металла в этих зонах.

Главное достоинство МКС заключается в возможности оценки (не только количественной, но и качественной) НДС или усталостного состояния металла и механической устойчивости каждой отдельной зоны и обследуемой конструкции в целом и, тем самым, указывая элементы или области конструкции, где необходим упреждающий ремонт или их усиление.

     1 Область применения.

1.1. Настоящий стандарт распространяется на организацию и проведение коэрцитиметрической диагностики строительных металлических конструкций зданий, сооружений, изготовленных из углеродистых и конструкционных сталей по ГОСТ 27772 толщиной от 4 до 30 мм.

1.2. Измерения коэрцитивной силы можно выполнять на поверхностях элементов металлоконструкций независимо от качества их обработки, на поверхностях с неметаллическим покрытием толщиной до 6 мм, а также на конструкциях с температурой поверхности до 600°С.

1.3. Применение МКС наиболее целесообразно:

- при текущем обследовании строительных металлоконструкций, а также металлоконструкций, подлежащих реконструкции, с целью уточнения исходных расчетных параметров;

- на металлоконструкциях, которые в период эксплуатации подвергались воздействию непредвиденных нагрузок;

- во вновь смонтированных сложных металлоконструкциях, в расчетных моделях которых не могут быть учтены все факторы, влияющие на несущую способность элементов;

- при мониторинге НДС конструкции в целом или ее отдельных частей, включая оценку усталостных и ресурсных характеристик.

1.4. Целесообразно проводить измерения коэрцитиметрии одновременно с толщинометрией. Такой подход снижает вероятность оценки технического состояния вполне работоспособных металлоконструкций как "аварийных" или "ограниченно работоспособных".

1.5. Метод МКС не распространяется на обнаружение в металле таких дефектов как пленки, закаты, расслоения, поры, включения, трещины, наличие или отсутствие которых устанавливают традиционными методами контроля качества, указанными в разделе "Введение".

     2 Назначение метода

2.1. Метод МКС базируется на изменении значения коэрцитивной силы Нс в зависимости от степени микроповрежденности и других изменений структуры металла (в зависимости от плотности дислокаций - дефектов кристаллической решетки). Значение коэрцитивной силы в процессе эксплуатации металлоконструкций может изменяться в несколько раз, т.е. метод МКС имеет высокую чувствительность к структурным изменениям, происходящим в металле, в процессе эксплуатации конструкции.

2.2. Значения коэрцитивной силы для каждой марки стали в отожженном состоянии Нс и в предельном состоянии, соответствующем пределу прочности, Нс, позволяют при периодических измерениях коэрцитивной силы Нс прогнозировать поведение (срок службы) элементов металлоконструкции и всей конструкции в целом.

2.3. Значение коэрцитивной силы металлопроката данной марки стали в состоянии поставки Нс всегда больше или равно Нс и зависит от:

- термомеханической обработки при изготовлении проката;

- диапазона изменения содержания легирующих элементов (регламентируется ГОСТ 380 и ГОСТ 19281);

- толщины металла;

- от величины зерна и структурной неоднородности.

2.4. Из легирующих элементов наибольшее влияние на изменение Нс в углеродистых и низколегированных сталях оказывает содержание углерода и хрома. Величина Нс в наибольшей степени зависит от той термомеханической обработки, которой подвергался металл в процессе проката. Значения Нс для металла в отожженном состоянии и Нс для металла с различной термомеханической обработкой для проката из стали одной марки могут отличаться друг от друга до 2-х раз.

2.5. Толщина металла в диапазоне, указанном в п.2.1, оказывает определенное влияние на величину Нс. Нс постепенно (примерно 1,5-2,0 А/см) возрастает при уменьшении толщины металла от 30 до 4 мм. С уменьшением толщины менее 4 мм для проката, изготовленного по одной и той же технологии и стали одной марки, зависимость Нс от толщины с ее уменьшением проявляется все сильнее. ГОСТ 27772 регламентирует толщину проката для строительных металлоконструкций, начиная с 4 мм, но в последнее время получили широкое распространение металлические конструкции из тонкостенных (толщиной 1-3 мм) гнутых и замкнутых (сварных прямоугольных и квадратных труб) профилей. Поэтому, перед обследованием конструкций из таких профилей необходимо провести уточняющие стендовые испытания и построить градуировочные зависимости величины Нc от толщины металлопроката для данных сортамента и марки стали при заданной нагрузке растяжением.

2.6. Предельные значения коэрцитивной силы Нс для данной марки стали могут быть получены в процессе стендовых испытаний на растяжение. Разброс значений Нс, полученных при испытаниях на растяжение, составляет до 10% и практически не зависит от технологических процессов обработки металла в процессе изготовления проката.

2.7. Таким образом, зная марку стали проката и способ его получения (горячекатаный, холоднотянутый, термомеханически упрочненный, после последующей термообработки и т.п.), можно определить значения Нс и Нс, а по результатам измерения текущих значений Нс дать объективную картину усталостно-напряженного состояния элементов строительной конструкции.

2.8. Разность значений - это диапазон изменения коэрцитивной силы, характеризующий потенциальный ресурс конструкции. При этом разность значений характеризует отработанный ресурс, а разность - остаточный ресурс. Зная срок эксплуатации строительной конструкции, можно определить скорость деградации металла (скорость физического износа) за отработанный период и, допуская, что эта скорость остается неизменной, спрогнозировать остаточный ресурс конструкции. Для повышения достоверности прогноза необходимо выполнить в тех же контролируемых зонах несколько периодических во времени измерений Hc.

2.9. Измерения коэрцитивной силы на элементах новых строительных конструкций позволяют получить информацию о НДС металла и сопоставить их с результатами расчетов проектировщиков. Полученные результаты измерений не позволяют выявить ошибки в проведенных расчетах и получить исходные данные для дальнейшего мониторинга конструкции.

2.10. Важно отметить, что коэрцитиметрические измерения позволяют получить объективную картину НДС металла (усталостного состояния) в отличие от результатов расчетов по приближенной модели и табличным значениям, используемыми проектировщиками. Таким образом, МКС является эффективным инструментом при проверке данных поверочных расчетов, а также привязке расчетных моделей к реальному текущему состоянию конструкций.

     3 Нормативные ссылки

3.1. В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

- СП 13-102-2003 "Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений".

- ГОСТ Р 53778-2010 "Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния".

- ГОСТ Р 8.694-2010 (Руководство ИСО 35:2006) ГСИ. "Стандартные образцы материалов (веществ). Общие статистические принципы определения метрологических характеристик".

- ГОСТ 30415-96 "Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры металлопродукции магнитным методом".