Тема 1.5. Метали і металовироби, які застосовують у водогосподарському будівництві.

Питання.

1. Основні питання про чавун, залізо і сталь.

2. Домішки і їх вплив на властивості.

3. Одержання чавуну, структура і сорти

4. Приготування сталі із чавуну.

5. Способи виробництва.

6. Структура сталі.

7. Основні види обробки чорних металів.

8. Властивості сталі.

9. Кольорові метали і сплави.

10. Корозія металів, причини.

11. Суть і способи захисту від корозіі.

12. Правила приймання, транспортування і зберігання металовиробів

Металами називають матеріали для яких характерні такі ознаки:

• висока тепло- і електропровідність;

• ковкість;

• блиск.

Ці властивості обумовлені наявністю в кристалічні решітці металів електронів, які вільно пересуваються.

Всі метали та їх сплави підрозділяються на:

• чорні – залізо і сплави на його основі: чавун, сталь, феросплави;

• кольорові – всі інші метали: мідь, алюміній, цинк, нікель та ін.

Найбільше значення для народного господарства мають чорні метали. В гідромеліоративному будівництві метали застосовують для виготовлення руб і механічного обладнання гідротехнічних споруд, а також значна частина використовується для армування залізобетонних конструкцій.

Чавун – це залізовуглецевий сплав, який містить більш 2% вуглецю. В залежності від стану вуглецю його розподіляють на сірий та білий. В сірому чавуні вуглець знаходиться у вільному стані, а в білому – у вигляді цементиту. Сірий чавун використовують для виливки різних деталей і виробів (труби, санітарно-технічне обладнання, плити для підлоги). Білі чавуни мають підвищену твердість і крихкість і в основному застосовується для переробки в сталь.

Сталь (криця) – залізовуглецевий сплав, який містить менш 2% вуглецю.

Сталь отримують з переробного чавуна окисленням за допомогою:

• мартенівського;

• конверторного;

• електроплавильного способів.

Стальні вироби одержують різними методами:

• виливки;

• опрацювання тиском, різанням;

• з застосуванням зварки та лудіння.

Основний спосіб одержання сталевих виробів це прокатка – різновид обробки металів тиском. Прокатка заснована на здібності сталі до пластичної деформації. Металургійна промисловість випускає чотири основні групи прокатних виробів:

• сортову сталь;

• листову сталь;

• труби;

• спеціальні види прокату.

По хімічному складу розподіляють вуглецеву та леговану сталь.

Вуглецева сталь містить:

• вуглецю 0,01 – 2 %

• марганцю 0,3 – 0,9 %

• кремнію 0,15 – 0,35 %

• сірки та фосфору до 0,07 %

Для будівельних конструкцій звичайно застосовують конструкційну вуглецеву сталь, яка містить до 0,7 % вуглецю. При введені в сталь легуючих домі шків одержують леговані сталі. Для цього застосовують елементи гурту нікелю (Ni, Co, Cu, Mn, Si) і грому (Cr, Ti, W, Zr, V, Al, Mo).

Леговані сталі в залежності від призначення розподіляються на:

• конструкційні;

• інструментальні;

• сталі з особливими властивостями (нержавіючі, жароміцні, зносостійкі та з особливими тепловими властивостями).

Із гурту кольорових металів і сплавів в гідротехнічному будівництві застосовують алюміньові сплави, які використовують як конструктивний матеріал при будівництві гідротехнічних споруд, трубопроводів, мостів.

Позитивні особливості алюміньових сплавів:

• мала щільність;

• висока міцність;

• корозійна стійкість.

Від’ємні:

• порівняно низький модуль пружності;

• високий коефіцієнт лінійного розширення;

• складність виконування з’єднань.

Основні представники алюміньових сплавів:

• дюралюміній

• міді 2,2 – 4,8 %

• магнію 0,4 – 2,4 %

• марганцю 0,4 – 0,8 %

Мідні сплави:

• латунь: мідь + цинк ( до 45 %)

• бронза: мідь + олово, алюміній, кремній та інші.

Цинк та його сплави застосовують для захисту сталі від корозії в агресивному середовищі. Основні фізико-механічні властивості металів і сплавів:

• щільність;

• теплове розширення;

• міцність;

• пружність;

• пластичність;

• твердість;

• в’язкість (ударна).

Для покращення структури і одержання заданих механічних властивостей металеві вироби піддають термічної обробці:

• відпал;

• гартування;

• відпуск;

• нормалізація.

Для розподілу металевих матеріалів по способу виробництва, хімічному складу, механічним властивостям їх маркірують.

Корозія металів – це поступове їх руйнування внаслідок хімічної чи електрохімічної взаємодії з зовнішнім середовищем.

Корозії підвладні всі метали, але в залежності від умов експлуатації, зберігання і транспортування протікає вона по різному.

Біля 10% виплавлених чорних металів кожний рік губляться у вигляді корозійного пилу.

Корозії класифікують по:

• механічному руйнуванню;

• виду агресивного середовища;

• характеру руйнування.

В залежності від механізму руйнування корозію підрозділяють на:

• хімічну;

• електрохімічну.

Хімічна корозія характеризується тільки окислювальними процесами і протікає в неелектролітах (бензин, керосин, сухі гази). Часто спостерігається при високих температурах.

Електрохімічна корозія характеризується наявністю окислювальних і відновних процесів при протіканні електричного струму.

До неї належать:

• корозія в атмосферних умовах;

• в морській і річковій воді;

• в електролітах.

По виду агресивного середовища корозію підрозділяють на:

• атмосферну;

• морську і річкову;

• ґрунтову;

• в електролітах і т.д.

Атмосферна корозія найбільш поширена. На її частину припадає біля 80 % всіх корозійних руйнувань.

Атмосферна корозія буває:

• по виду атмосфери (промислова, сільська, приморська);

• по виду клімату (в помірному і тропічному).

У тропічному кліматі корозія значно дужча, тому що там присутня висока вологість, температура, сонячна радіація та інше. Морська і річкова корозія руйнує метал в морській і річковій воді (руйнування корпусів, гребних гвинтів морських і річкових суднів, човнів). Ґрунтова корозія викликає корозію металів в ґрунті (водопровідних і газових металевих труб, палей, що знаходяться в ґрунті). Корозія в електролітах - це руйнування металу в водних розчинах кислот, лугу і солі. Цей вид корозії зустрічається при травленні металів, в хімічній промисловості.

По характеру руйнування корозію підрозділяють на чотири види:

• суцільна;

• місцева;

• виразкова;

• міжкристалічна.

Для захисту металів від корозії застосовують слідуючи методи:

• підвищення корозійної стійкості металів;

• зниження агресивності середовища;

• відокремлення металу від агресивного середовища.

Підвищення корозійної стійкості виконується шляхом легування, видаленням з металу шкідливих домішок (очищення), модифікування, хіміко-термічної обробки. Для зниження агресивності середовища зменшують концентрацію агресивних газів, видаляють вологу, пил та забруднення. Ці засоби особливо ефективні при зберіганні металовиробів на складах, при транспортуванні. Для цього в складських приміщеннях підтримують постійну температуру і вологість, приміщення гарно провітрюється. Крім цього, в агресивне середовище вводять речовини, які зменшують ступінь його корозійної агресивності (інгібітори вводять в мастила). Відокремлення металу від агресивного середовища виконують шляхом нанесення металевих і неметалевих покриттів або індустріальних мастил.

По способу нанесення металеві покриття підрозділяють на:

• гальванічні;

• нанесені гарячим методом.

Для гальванічних покрить характерна пористість, тому їх наносять на завчасно нанесені шари інших металів. При гальванічному методі метал із розчину солі осідає на виріб при пропусканні через розчин електричного струму. При гарячому методі металевий виріб на кілько секунд занурюють в метал, зазначений для нанесення покриття. Застосовують для цього легкоплавкі метали. Неметалеві покриття – лаки, фарби, силікати, полімерні та інші. Захищають метал і шляхом створення на його поверхні оксидних плівок – оксидування.

Найбільш поширеним металевим покриттям сталі є цинкове.

Електродний потенціал цинку більш від’ємний ніж заліза, тому він виступає анодом і при ушкодженні покриття розчиняється, запобігаючи руйнуванню основного металу. На цьому принципі заснований захист крупних споруд, трубопроводів, резервуарів (протекторний захист). До конструкції, яку необхідно захистити приєднують пластинки із металу або сплаву (протектора) з більш від’ємним потенціалом. Катодні покриття (мідь, олово, нікель) мають менш від’ємний потенціал ніж залізо. Конструкція приєднується до від’ємного полюсу постійного джерела струму і сталь виконує функцію катоду. Анодом служить малоцінний металевий брухт, приєднаний до позитивного полюсу.

В гідромеліоративному будівництві при зведені закритих зрошувальних систем застосовують сталеві та чавунні труби. Серед них тонкостінні сталеві труби з антикорозійним покриттям (ТСАО).

Сталеві труби застосовують для переходів під залізничними і автомобільними шляхами, через водні перешкоди і яри, у випадках, коли застосування труб із інших матеріалів неможливе (на ділянках трубопроводів з робочим тиском > 1,5МПа), при укладанні в тяжко доступних місцях будівництва.

Чавунні труби застосовують на ділянках з робочим тиском >1,2МПа в осідаючих, набрякаючих, заторфованих ґрунтах.

Для напірних трубопроводів застосовують:

• сталеві труби безшовні – гаряче- і холоднодеформовані;

• електрозварні з поздовжнім прямим або спіральним швом;

• з антикорозійним покриттям (виготовлені по спеціальним ТУ для водогосподарського будівництва).

Труби випускають:

• прямошовні – діаметр 8 – 1620 мм, товщина стінок 0,8 – 20 мм, довжина 2 – 12м.

• з спіральним швом – діаметр 159 – 1420, товщина стінок 3,5 – 14 мм, довжина 10 – 18 м.

Всі труби, які працюють під тиском, підлягають випробуванню. При гідравлічному випробуванні тиск обчислюють за формулою:

, МПа

де: S – мінімальна товщина стінки труби, мм

R – допустима напруга, МПа.

D – внутрішній діаметр труби, мм.

З’єднають сталеві труби зварюванням. Фланцеві з’єднання застосовують для приєднання арматури.