К вопросу о прогнозировании развития коррозионных процессов в конструкциях стальных свай, работающих в контакте с грунтом

АННОТАЦИЯ

Предметом обсуждения в данной статье является прогнозирование коррозионных процессов в конструкциях стальных свай, работающих в контакте с грунтом. Проблема, с которой пришлось столкнуться на практике - несоблюдение требований проекта по антикоррозийной обработке наружной поверхности свай, выполненных из стальных труб. Объём погруженных свай и степень реализации надземных частей эстакад и проложенных по ним трубопроводов заставили озадачиться поиском ответа на вопрос - возможна ли эксплуатация свай в такой реализации в течение расчётного срока службы 25 лет? При прочих равных условиях определяющим фактором для нахождения ответа на поставленный вопрос является показатель скорости коррозии металла стенок свай. Целью статьи является нахождение ответа  на вопрос, прозвучавший выше.

ABSTRACT

The article is focused on prediction of corrosion processes in steel piles contacting with the ground. The practice revealed that the project requirements for anticorrosion treatment of the outer surface of steel piles are often not fulfilled. The amount of piles in position and the degree of readiness of the aboveground parts of the rack with the pipelines caused the search for the answer whether such operation of piles during the estimated service life of 25 years is possible. All other conditions being equal, the key factor is the corrosion rate of pile walls. The article searched for the answer to the given question.

Ключевые слова: сваи, коррозия, фундамент, прогнозирование, расчётный срок службы.

Keywords: piles, corrosion, foundation, prediction, estimated service life.

Основные требования действующих норм, в частности СП 28.13330.2017, однозначно предписывают выполнение изоляционного покрытия поверхности стальных конструкций, эксплуатирующихся в грунтовой среде. Данное требование распространяется и на сваи-оболочки из труб стальных, широко использующихся в качестве фундаментов под объекты нефтегазодобычи. Очевидно, что с точки зрения ГОСТ 17467-79*, отсутствие защитного покрытия на поверхности стальных свай-оболочек является неустранимым дефектом. Однако вопрос отнесения данного дефекта к значительному или критическому представляется открытым, так как, с одной стороны, действующие российские нормы не допускают данный дефект, но, с другой стороны, имеется опыт зарубежного проектирования, допускающий использование стальных свай без дополнительной защиты металла.

Причиной проведения настоящего исследования является факт выявления вышеописанного дефекта на свайном поле фундаментов эстакад обустройства одной из промышленных площадок Иркутской области. Сочетание значительного количества свай (около 500 шт.) с высокой степенью готовности надземной части эстакад и размещённых на них трубопроводов предопределило вопрос о возможности использования объекта с выявленным дефектом в пределах расчётного срока службы 25 лет, назначенного проектной документацией.

Целью исследования являлось прогнозирование величины коррозионного износа свай из стальных труб без антикоррозионного покрытия и несущей способности свай по материалу на расчётный срок службы сооружения 25 лет, предоставление прогнозных данных генеральному проектировщику для принятия решений по долговечности конструкций свай. Работы по обследованию проводились в июле-сентябре 2018 г., в т.ч. полевые работы – в июле 2018 г.

Для достижения данной цели было предложено выполнять исследование по следующей укрупнённой методике:

• Выполняется разделение грунтовых условий нахождения ствола сваи по следующим критериям: вид грунта, наличие грунтовой воды, в т.ч. верховодки, наличие уплотнения насыпной части, наличие мерзлоты;
• По Еврокоду 3, Р625-87, иным публикационным официальным источникам подбираются (и обосновываются при подборе) соответствующие значения скорости односторонней коррозии трубной стали с параллельной идентификацией применённой стали по химическому составу фотоэлектрическим и спектрографическим методами по ГОСТ 18895-97 и ГОСТ 27809-95;
• Методом средневзвешенных значений производится назначение расчётной скорости коррозии для выделенных участков сваи по длине её ствола;
• Проверка назначенных параметров полевыми испытаниями ультразвуковой толщинометрией по ГОСТ Р ИСО 16809-2015 оголенных шурфами стенок свай в пределах высоты шурфа и над уровнем земли прилегающей территории. При этом к толщинометрии предлагалось добавить испытания образцов-свидетелей, погруженных в грунтовые условия на 2, 5 лет, с целью проверки достоверности расчётного обоснования. Получение аппроксимирующей функции скорости коррозии в зависимости от времени для обследованных свай и расчётный прогноз коррозионного износа свай при сохранении условий эксплуатации;
• Выполнение поверочных расчётов свай по материалу (с учётом коррозионного прогнозного износа) в соответствие с СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*»; СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»; СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» и формирование прогноза несущей способности свай для расчётного срока службы; назначение прогнозного технического состояния конструкций на основании ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»;
• По результатам повторного обследования, планируемого на 2021 г. выполняется корректировка (при необходимости) аппроксимирующей функции скорости коррозии в зависимости от времени для обследованных свай и, как следствие, прогнозов коррозионного износа и несущей способности свай по материалу.

Для выборочного обследования девяти свай были выполнены шурфы глубиной 1,4-2,4 м (при согласованной в программе работ глубине 1,7 м). Из стенок пяти свай были отобраны пробы стали труб для идентификации марки по химическому составу. На всех вскрытых контрольных сваях (за исключением свай С3 и С5) выполнялось измерение толщины стенки ультразвуковым неразрушающим методом не менее чем в трёх точках по высоте оголённой части сваи: на уровне дна шурфа, на высоте, равной половине глубины шурфа от уровня его дна, на 100 мм выше уровня обреза шурфа (надземная точка). На всех сваях определялось наличие пескоцемента в полости простукиванием боковой поверхности труб молотком.

Основные результаты анализа характеристик грунтов основания и осмотра шурфов показали:

- грунтовые воды в пределах проходки шурфов и в пределах скважин при изучении инженерно-геологического разреза не обнаружены; замачивание грунтов возможно по открытому верхнему обрезу противопучинистой обсыпки верхней части ствола сваи песчано-гравийной смесью, однако при этом замачивание может носить периодический характер.

- ствол сваи находится в контакте с глинистыми грунтами, при этом на большинстве обследованных выборочно свай отсутствует противопучинистая обсыпка гравийным грунтом, в присутствующей на свае С1 засыпке зафиксирован глинистый заполнитель;

- наличие в 2 из 9 свай обсыпки в верхней части ствола свай позволяет утверждать о свойствах этого грунта как насыпного неуплотненного;

- в материалах инженерно-геологических изысканий грунты по отношению к углеродистой и низколегированной стали обладают средней коррозионной агрессивностью по ГОСТ 9.602-2016 [1].

Согласно данным табл. 4.1 Еврокод 3 часть 5 [2] (далее Еврокод) коррозионный износ стальных элементов в грунте насыпном (агрессивном - золы и т.п.) превышает скорость грунтовой коррозии в глинистых грунтах, в обследуемых сваях с учётом вышеприведённых фактов следует рассматривать именно наличие насыпных грунтов в верхней части лидерной скважины. На рис. 1 приведена выкопировка из Еврокод с табл. 4.1.

При этом п. 4.4 Еврокод устанавливает скорость односторонней атмосферной коррозии на уровне 0,01 мм/год. Однако, п. 4.2 оговаривает возможность неучёта данного вида коррозии внутри полости свай при условии заполнения полости бетоном или герметизации полостей.

Анализ положений Еврокод позволяет сделать следующие предварительные выводы:

- максимальный односторонний коррозионный износ (от влияния грунтовой коррозии) назначен для агрессивных неуплотненных грунтов (шлаки, золы и т.п.), равен величине 0,5 мм за 5 лет эксплуатации и 2,0 мм – за 25 лет соответственно. Таким образом, скорость коррозии в течение эксплуатации не является величиной постоянной и равна усреднённой величине 0,1 мм/год в первые пять лет и уменьшается до усреднённой величины 0,075 мм/год в следующие 20 лет, при средней скорости коррозии 0,08 мм/год в течение 25 лет эксплуатации;

- односторонний коррозионный износ (от влияния грунтовой коррозии), назначенный для неагрессивных неуплотненных глинистых и песчаных грунтов, равен величине 0,18 мм за 5 лет эксплуатации и 0,7 мм – за 25 лет соответственно. Таким образом, скорость не сохраняется постоянной в течение эксплуатации и равна усреднённой величине 0,036 мм/год в первые пять лет и уменьшается до усреднённой величины 0,026 мм/год в следующие 20 лет, при средней скорости коррозии 0,028 мм/год в течение 25 лет эксплуатации;

- односторонний коррозионный износ (от влияния грунтовой коррозии), назначенный для грунтов промышленных рабочих площадок, равен величине 0,15 мм за 5 лет эксплуатации и 0,75 мм – за 25 лет соответственно. Таким образом, скорость постоянна в течение 25 лет эксплуатации и равна усреднённой величине 0,030 мм/год;

- атмосферная коррозия внутри полостей обследуемых свай должна учитываться ввиду отсутствия заполнения полостей большинства обследованных свай и отсутствия данных по визуально-инструментальному контролю сварных швов при обустройстве острия свай;

- при наихудшем варианте грунтовых условий усреднённая полная скорость коррозии с учётом атмосферной внутри полости сваи за период 25 лет составит 0,09 мм/год при скорости 0,11 мм/год в первые 5 лет.

- для насыпных глинистых грунтов расчётная теоретическая усреднённая полная скорость коррозии стенки с учётом атмосферной внутри полости сваи за период 25 лет принята на уровне 0,038 мм /год.

Рисунок 1. Таблица 4.1 Еврокод 3 часть 5

Согласно данным советских источников [3], [5] и исследованиям Э.П. Мингалева, Е.И. Гайданенко, А.Ф. Марченко [6],[7],[8],[9] скорость грунтовой коррозии (при отсутствии блуждающих токов) в грунтах дресвяно-подзолистых и торфяных составляет 0,04-0,1 мм год, не превышает 0,1 мм; при этом отмечается повышенная скорость в грунтах, допускающих воздухововлечённость (неуплотнённые насыпи, торфяники) в первые 2-3 года нахождения в грунте с последующим снижением скорости по мере самоуплотнения или водонасыщения. То есть максимальная описанная вышеназванными источниками скорость грунтовой коррозии 0,1 мм/год сопоставляется с данными Еврокод для показателя в агрессивных насыпных грунтах в первые 5 лет эксплуатации. Таким образом, наиболее пессимистический прогноз позволяет в дальнейшем оперировать величиной 0,11 мм/год для сравнения с фактическими показателями, определяемыми в рамках настоящего исследования.

Анализ полученных данных измерения толщины металла стенок обследуемых свай выполнен при следующих предварительных предпосылках:

- атмосферная коррозия постоянна и равна 0,01 мм/год как для наружной надземной части свай, так и для поверхности внутри полости труб свай;

- начальная глубина коррозии по наружной и внутренней поверхностям к моменту погружения свай в грунт равна 0 (ввиду отсутствия каких-либо данных о степени её (коррозии) реализации на начало расчётного периода);

- изначальная толщина стенки трубы одинакова во всех точках измерения в пределах изученной длины (максимальная величина которой равна 2,4 м – глубина шурфа сваи С1); данная оговорка связана с принятыми в табл. 3 ГОСТ 8732-78 [11] допусками на толщину труб, количественные показатели которых приведены ниже в таблице 1. Анализ данных таблицы 1 позволяет предполагать теоретическую невозможность получения адекватных данных скорости коррозии при возможных отклонениях толщины стенки трубы на изученной длине в пределах допусков по причине значительного превышения величины допуска над ожидаемой величиной коррозионного износа за 2 года. В связи с этим применена данная предпосылка с целью возможности применения метода расчёта грунтового износа сопоставлением величин толщины стенки трубы надземной и подземной части.

- значение требуемого уровня доверительной вероятности равно 0,95.

Таблица 1.

Допускаемые отклонения толщины стальных бесшовных горячедеформированных труб

С учётом вышеприведённых предпосылок можно вывести следующую формулу для определения скорости грунтовой коррозии за 2 года нахождения сваи в грунте:

Y^гр_0,95=((∆t ^ср_i/2)+∆y)-0,01                                                             (1)

Где Y^гр_0,95 – односторонняя скорость грунтовой коррозии металла трубы данной сваи в подземной точке i, мм/год, вычисленная с обеспеченностью 0,95;

∆t ^ср_i = t^ср_i-t^ср₁ – разница измеренных показателей толщины в подземной и надземной точке измерений одной и той же трубы, мм;

t^ср_i – среднее измеренное значение толщины в подземной i-й точке, мм;

t^ср₁ – среднее измеренное значение толщины в надземной точке, мм;

∆y=2,26СКО – вычисленное значение разброса значений при принятом уровне доверительной вероятности,

СКО – среднеквадратичное отклонение значения ∆t ^ср_i

Тогда двухсторонняя (с учётом атмосферной коррозии в полости) скорость коррозии металла трубы данной сваи в подземной точке i, мм/год, вычисленная с обеспеченностью 0,95 вычисляется как:

Y_0,95=(∆t ^ср_i/2)+∆y                                                                  (2)

Вычисленные по (2) значения с обеспеченностью 0,95 скорости грунтовой коррозии металла трубы каждой сваи, мм/год приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Вычисленные показатели скорости коррозии в подземных точках

Анализ ряда вычисленных значений по вышеприведенной методике позволяет сделать следующие предварительные выводы:

- в ряду вычисленных значений наблюдается значительный диапазон (интервал) вычисленных величин скорости коррозии, присутствуют отрицательные значения, что может объясняться заведомо ошибочной предпосылкой о постоянстве изначального показателя толщины стенки трубы во всех точках измерения в пределах изученной длины; для дальнейшего анализа отрицательные значения отсеиваются как недостоверные;

- максимальное вычисленное значение скорости равно 0,12 мм/год;

- в ряду вычисленных положительных значений скорости коррозии среднее вычисленное значение равно 0,052 мм/год, среднеквадратичное отклонение имеет величину  0,03, величина размаха, определенная с заданной доверительной вероятностью 0,95, равна 0,068, а величина скорости коррозии с обеспеченностью 0,95 составляет 0,12 мм/год, что в целом соотносится с пессимистическим прогнозом скорости коррозии, определённым ранее; дальнейшие поверочные расчёты свай на данном этапе обследований выполняются с использованием данной величины, принимаемой как константа и дающей вычисленную величину коррозионного износа после 25 лет нахождения в грунте, равную 3,0 мм;

- безусловно вышеприведённая величина представляется завышенной по причине отсева отрицательных значений в интервале вычисленных величин, не более чем предварительной и нуждающейся в уточнении по результатам повторных измерений толщины в зонах свай, обследованных на данном этапе.

Расчёт несущей способности обследуемых свай выполнен по прочности материала свай согласно требованиям п. 7.1.8 [10] и раздела 7.1 [12] при следующих предпосылках и допусках:

- расчётная толщина стенки трубы сваи определена постоянной по длине как изначальная номинальная толщина стенки трубы за минусом величины коррозионного износа, принятой на уровне 3,0 мм;

- расчётная модель сваи (согласно п. 7.1.8 [10] – вертикальная центрально сжатая стойка (стержень) физической длиной, рассчитываемой по формуле (7.1) |10| при l₀=1.7+0.3=2.0 м (где 0,3 м – расстояние от уровня верхнего обреза сваи (подошвы условного ростверка) до уровня планировочной отметки земли, 1,7 м – глубина противопучинистой скважины, нижний конец стойки защемлен, верхний – свободный.

Расчёты выполнены для трёх свай, выбранных по следующим соображениям:

- свая С5, выполнена из трубы 219х6, из всех аналогичных воспринимает наибольшую нагрузку (расчётное значение 7,01 тс с учётом собственного веса);

- свая С5, выполнена из трубы 273х8, из всех аналогичных воспринимает наибольшую нагрузку из всех обследуемых свай (расчётное значение 9,43 тс с учётом собственного веса);

- свая С9, выполнена из трубы 159х6 (минимальный габарит сечения в выборке обследуемых свай), воспринимает нагрузку 1,0 тс (расчётное значение с учётом собственного веса).

Расчёты выполнены с использованием пакета САПР SCAD Office версия 21, сертифицированного Росстроем РФ (лицензия №14862 от 11.01.2018г.).

Расчётные нагрузки определены при следующих предпосылках:

• расчётные и нормативные значения вертикальных сжимающих нагрузок заданы проектирующей организацией;
• при расчёте учитывался коэффициент надёжности по ответственности здания _n, принимаемый для объектов нормального уровня ответственности (КС-2) на уровне 1,0;
• расчёты выполнены для основного расчётного сочетания усилий, при анализе напряженно-деформированного состояния конструкций рассмотрена 1 комбинация загружений (см. табл. 3).

Таблица 3.

Расчётные сочетания усилий, приложенных к верхнему обрезу (оголовку) свай

Примечание: направление осей принято в соответствие с системой SCAD Office

Основные результаты расчётов приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Результаты поверочных расчётов свай

Примечание: Коэффициент использования (КИ) – отношение предельно-допустимых значения фактора к фактическому его значению в конструкции

По результатам расчёта можно сделать вывод о сохранении достаточности несущей способности свай по материалу с учётом коррозионного износа 3,0 мм за 25 лет эксплуатации.

Результаты исследования и их анализ позволяют сделать следующие выводы:

• Обследованные буроопускные сваи выполнены из стальных труб 219х6, 273х8 и 159х6 по ГОСТ 8732-78 из стали 09Г2С.
• В выборке из девяти свай преобладают сваи, не имеющие антикоррозионной обработки наружной поверхности, заполнения внутренней полости пескоцементом.
• В выборке из девяти свай преобладают сваи, не имеющие противопучинистой обсыпки песчано-гравийной смесью верхней части, верхняя часть контактирует с глинистыми грунтами; при этом гидроизоляционная обработка устья битумом также отсутствует.
• Все вскрытые сваи соответствуют проектным решениям по геометрическим показателям сечения (показатель наружного диаметра, толщины стенки). Часть вскрытых свай имеет стыковку труб по длине.
• По результатам анализа литературных и нормативных источников и выполненных измерений толщин стенок обследованных свай для дальнейших поверочных расчётов предварительно обоснована величина скорости коррозии стенок свай 0,12 мм/год, что даёт прогнозную величину коррозионного износа стенок свай 3,0 мм через 25 лет эксплуатации в сложившихся условиях.
• С учётом вышеприведённой величины прогнозируемого коррозионного износа выполнены поверочные расчёты несущей способности свай по материалу, подтверждающие её достаточность в течение расчётного периода эксплуатации 25 лет.

Для подтверждения и уточнения показателей коррозионного износа требуется повторение исследований толщины стенок свай в летний период 2021 года с повторением замеров толщины стенок свай в зонах выполнения измерений, выполненных при настоящем обследовании.

Список литературы:
1. ГОСТ 9.602-2016 Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. - М.: Стандартинформ, 2017
2. Перевод Европейского стандарта En 1993-5:2007 на русский язык. Технический кодекс установившейся практики Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 5. Забивка свай.
3. Р 625-87 «Методика расчета единичных показателей коррозионной безотказности линейной части трубопроводов» / ВНИИСТ при Мин-ве по строительству объектов нефтяной и газовой промышленности СССР. М.: 1987 г.
4. ГОСТ 19281-2014 Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2015.
5. Инструкция по определению скорости коррозии металла стенок корпусов сосудов и трубопроводов на предприятиях Нефтехимпрома СССР / ВНИиКТИ оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. – Волгоград, 1983 г.
6. Мингалев Э.П. Коррозия трубной стали в многолетнемерзлых грунтах Западной Сибири. // Нефтяное хозяйство. – 2004. - №3. – с. 104-105
7. Мингалев Э.П., Перекупка А.Г., Соколов С.М. Коррозия трубной стали во влажных болотно-торфяных грунтах юга Западной Сибири. // Нефтяное хозяйство. – 2014. - №2. – с. 40-43
8. Гайданенко Е.И., Константинов И.П. Коррозия газопроводных труб в Якутии // Строительство трубопроводов. – 1989. - №1. – С40-41
9. Марченко А.Ф. Почвенная коррозия трубопроводной стали и магистральных трубопроводов // Строительство трубопроводов. – 1995. - №1. – С29-34.
10. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. / Министерство регионального развития Российской Федерации -М.: 2012.
11. ГОСТ 8732-78 Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент (с Изменениями N 1, 2). М.: ИПК Издательство стандартов, 2004
12. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. /Министерство регионального развития Российской Федерации, -М.: 2011.