Инженеры института ТРАНССТРОЙПРОЕКТ — опытные специалисты. Разбираются в нюансах проектирования пролетных строений, а также внедряют новые прогрессивные технологии. Например, обработка фрикционных соединений грунтовкой ЦВЭС. За разработкой документации для строительства мостов обращайтесь к нам. Сделаем в срок с гарантиями качества и надёжности!
УДК 624.21.8 + 667.6
Харламов Д.Н. ГК «ТРАНССТРОЙПРОЕКТ»
Новак Ю.В. Филиал АО ЦНИИС «НИЦ» Мосты
Звирь В.И. Филиал АО ЦНИИС «НИЦ» Мосты
Аннотация: В данной статье путем проведения опытно-экспериментальных работ авторами устанавливается зависимость коэффициента трения во фрикционных соединениях на высокопрочных болтах от способа подготовки контактных поверхностей для нанесения защитного покрытия, а также описываются преимущества использования цинконаполненной грунтовки ЦВЭС как надежного и долговечного защитного покрытия в производстве мостовых стальных конструкций. В ходе эксперимента были взяты две серии образцов металлоконструкций, подготовленных для нанесения защитного покрытия с помощью разных технологий обработки контактных поверхностей: нерегламентированной и единой специальной, и была установлена взаимосвязь между ними и получаемым коэффициентом трения.
Фрикционные соединения на высокопрочных болтах в конструкции металлических пролётных строений мостовых сооружений занимают важную и значимую роль. От степени их надёжности зависит дальнейшая судьба сооружения в целом. Поэтому правильный выбор и учёт всех конструктивных и технологических особенностей современного фрикционного соединения очень важен и является залогом усиления конструкций мостов.
Одно из современных требований, предъявляемое к болтовым стыкам, исходит со стороны экологов: всё 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, это очень тяжёлый труд. Именно эти два серьёзных обстоятельства подтолкнули инженерную мысль на создание покрытия для контактных поверхностей, наносящегося в заводских условиях в стадии заводского изготовления конструкций пролётных строений и не требующих в дальнейшем на строительной площадке на стадии монтажа никаких дополнительных подготовительных процедур.
Одним из современных изобретений в области подготовки контактных поверхностей фрикционного соединения, обеспечивающего расчётный 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 не устойчиво в спиртах и ряде органических растворителей. Термостойкость – длительная до 150°С ; кратковременная до 200°С.
То, 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 Фишбург Н.В.
По результатам такого анализа сделаны выводы:
Принцип первый.
Подбор состава и нанесения фрикционного грунта
В составе грунта должно преобладать вещество, способное к твердофазному взаимодействию со стальной основой в условия эксплуатации сооружения. Для этого используют цинконаполненный грунт с содержанием порошка цинка не менее 90% и малым количество пленкообразующего соединения.
Принцип второй.
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.
Принцип третий.
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 9001:2000, 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, т.е. 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 изготавливают 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 60-80 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 ГК «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. Так, 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 и Лауреата конкурса на международной выставке «Металлоконструкции» в 2016 году.
Основным производителем мостовых стальных конструкций с защитным покрытием контактных поверхностей по проектам ГК «Трансстройпроект» является ООО «Тюменьстальмост», который создан на базе лучших технологий производства металлоконструкций, заимствованных с «Курганстальмост» 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:
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.
Завод | Дробь |
Сечение |
Чеховский ЗММК |
Profilium 058 |
0,2 – 0,4 мм |
Люберецкий завод |
ДЧК 08 |
0,6 – 0,8 мм |
Ярославский завод №50 |
WGH 040 |
0,5 – 0,6 мм |
Борисовский ЗММК |
ДСК 05 |
0,31 – 0,5 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 ИНЖИРИНГ» - 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 рисунке 1. Измерения выполняли в соответствии с ГОСТ2789–73 контактным способом профилометром «Mar Surf M 300» в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Значения величин шероховатости контактных поверхностей приведены в таблице 1, из которой видно, что ее величина Rz 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, т.к. эти поверхности очищали химическим способом.
Рис. 1 – Места замеров шероховатости
Таблица 1 – Результаты измерений шероховатости Rz и расстояний между вершинами – S на базовой длине 4 мм
Позиция | Rz, мкм | S, мкм | ||||
№1 | №2 | №3 | №1 | №2 | №3 | |
Крайняя 1 | 85,20 | 67,2 | 61,5 | 188 | 164 | 143 |
Средняя 2 | 71,7 | 65,1 | 65,7 | 143 | 171 | 146 |
Крайняя 3 | 74,5 | 71,5 | 76,0 | 143 | 174 | 183 |
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 натяжение болтов по расчетному крутящему моменту, в течение которого происходила релаксация усилия в болтах. Температура испытания 18°С – 20°С.
Коэффициент трения определяется по формуле (1):
µ = Q\2P (1),
где Q–усилие сдвига, полученное при испытании, (тс);
2–число контактирующих поверхностей;
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, используемых 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 таблицах 2 и 3.
Таблица 2 – Значения коэффициента трения при нерегламентированном способе очистки контактных поверхностей без защитного покрытия
№ партии | 1 | 2 | 3 | 4 |
Марка дроби | Profilium 058 | ДЧК 08 | WGH 040 | Кислотно – щелочная ванна |
Способ очистки | дробеструйный | дробеструйный | дробеметный | химическая очистка |
Коэффициент трения, µ | 0,65 | 0,51; 0,57 | 0,33; 0,34 | 0,46 |
Таблица 3 – Значения коэффициента трения при нерегламентированном способе очистки контактных поверхностей, покрытых ЦВЭС + ЦВЭС–А
Способ подготовки контактных поверхностей,
№ партии
|
Дробь стальная колотая, Profilium 058, способ очистки - дробеструйный, образец №1, ЦВЭС+ЦВЭС - А |
Дробь ДЧК 08 чугунная колотая, способ очистки – дробеструйный, образец №2, ЦВЭС+ЦВЭС - А |
Дробь стальная колотая, WGH 040, способ очистки – дробеметный, образец №3, ЦВЭС+ЦВЭС - А |
Химическая очистка. Покрытие – цинк, горячее цинкование, 100 – 170 мкм, образец №4. |
Коэффициент трения, µ | 0,54; 0,55 | 0,45; 0,42; 0,51 | 0,33; 0,39; 0,40 | 0,55; 0,60; 0,64 |
Результаты испытаний первой серии образцов при нерегламентированном способе очистки контактных поверхностей, выполненных на разных мостовых заводах, позволяют сделать предварительные выводы:
Результаты с незащищенными поверхностями, приведенные в таблице 2, показывают, что при одинаковой величине шероховатости Rz 60-85 мкм (таблица 1), значения коэффициента трения различны и составляют от 0,33 до 0,65. И наоборот, при различной величине шероховатости от Rz 5-10 мкм - при химической очистке до Rz 60-85 мкм - при дробеструйной, коэффициент трения отличается незначительно и составляет соответственно:
µ = 0,46 – при химической обработке;
µ = 0,51 – при дробеструйной очистке.
Приведенные в таблице 3 значения коэффициентов трения образцов с обработанной поверхностью по таблице 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, т.е. при дробеметной очистке µ = 0,46 и соответственно µ = 0,55.
Данные таблиц 2 и 3 показывают, что отсутствует прямая зависимость между шероховатостью контактирующих поверхностей и полученными значениями коэффициентов трения.
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.
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.
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 таблице 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.
Таблица 4 – Значения коэффициентов трения µ в зависимости от состава дроби при дробеструйной очистке контактных поверхностей
Завод – изготовитель, марка дроби |
Дробеструйная, без защиты |
Дробеструйная с покрытием ЦВЭС |
||
Усилие сдвига, тс |
Коэффициент трения, µ | Усилие сдвига, тс |
Коэффициент трения, µ |
|
Чеховский ЗММК, дробь Profilium 058 |
40,4 42,2 43,3 |
0,90
0,94 0,97 |
33,0
30,6 31,3 |
0,74 0,68 0,70 0,70 |
Ярославский завод №50, Дробь WGH 040 |
22,8 26,0 24,6 |
0,51
0,58 0,55 |
19,5 25,7 31,9 |
0,43
0,57 0,57 0,71 |
Люберецкий ЗМК, Дробь ДЧК 08 |
28,3 23,5 27,0 |
0,63
0,52 0,60 |
26,5 27,0 28,8 |
0,59
0,60 0,61 0,64 |
Борисовский ЗММК, Дробь ДСК 05 |
28,7 18,4 |
0,64
0,41 |
26,2 28,3 |
0,58
0,63 0,60 |
Влияние вида защитного покрытия на коэффициент трения показаны в таблице 5.
Для очистки контактных поверхностей применяли дробь Profilium 058.
Таблица 5 – Значения коэффициента трения в зависимости от способа защиты контактных поверхностей.
Показатель |
Способ подготовки контактных поверхностей |
||
Без покрытия |
Грунтовка
ЦВЭС + ЦВЭС-А |
Грунтовка ЦВЭС |
|
Коэффициент трения, µ | 0,80; 0,85; 0,87 | 0,66; 0,68; 0,70 | 0,68; 0,70; 0,74 |
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 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 (таблица 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. таблицу 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 сравнение 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.
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.