Запас прочности: уместно ли это понятие в антикоррозионной защите?
Понятие запаса является неотъемлемой частью проектирования любых технических элементов. Наиболее часто можно встретить термин «запас прочности», но есть и другие термины – например, в проектировании строительных конструкций используется также термин «запас устойчивости».
Само понятие запаса подразумевает, что для реальных конструкций не используются номинальные значения, полученные путем вычислений. К каждому номинальному значению добавляется запас прочности, и уже по полученным итоговым величинам будет изготавливаться конструкция.
Зачем нужен запас прочности? Ответ на этот вопрос состоит в том, что ни одна расчетная модель не позволяет учесть все особенности эксплуатации. Например, не всегда можно учесть все возможные сочетания различных видов нагрузок, и не во всех случаях можно точно учесть усталостные явления. Нужно также понимать, что выбранная для расчета схема нагружения может полностью не отражать действующую в реальности нагрузку. Таких моментов может быть много, и сегодняшнее развитие науки пока еще не позволяет иметь методики, исключающие коэффициенты запаса.
Коэффициенты запаса могут быть разными. Наибольшие запасы имеет грузоподъемное оборудование и его элементы – например, для расчета стропов применяется коэффициент запаса прочности, равный 8.
По каким-то причинам практика проектирования с использованием коэффициентов запаса обошла стороной лакокрасочную индустрию, хотя нельзя сказать, что последняя с точки зрения последствий неправильного проектирования уступает другим отраслям: преждевременная коррозия является причиной больших убытков, а также выхода конструкций и оборудования из строя, в отдельных случаях – приводит к гибели людей.
Методики проектирования АКЗ
Два основных стандарта, используемых для подбора систем АКЗ, – ГОСТ 34667 и СП 28.13330.2017 – используют простой подход: зная степень коррозионного воздействия, можно переходить непосредственно к выбору системы, которая для разных сроков службы будет разной. В свою очередь степень коррозионного воздействия назначается по результатам экспозиционирования в заданной среде и вычисления величины коррозионных потерь или же по характеристикам атмосферы, определенным в ходе инженерных изысканий. Во всех случаях есть возможность провести лабораторные климатические испытания и убедиться в правильности предлагаемой системы.
Существуют еще более простые методики подбора систем АКЗ. Это касается случаев, когда среда эксплуатации уже определена, и стандарт предлагает одну или несколько систем на выбор. Так происходит, например, в случае с выбором систем для подземной эксплуатации (ГОСТ 9.602) или систем под изоляцию (NACE SP0198).
Ну и наконец самый простой случай: выбор системы АКЗ производится по результатам лабораторных испытаний. Простым этот случай можно назвать лишь условно, когда хочется, не задумываясь, перенести результаты испытаний на реальный объект и на реальное покрытие. На самом деле этот вариант является самым сложным, поскольку необходимо учитывать разницу между лабораторией и реальной эксплуатацией.
Зачем нужен запас в проектировании АКЗ?
Выше мы описали несколько возможных методик выбора систем АКЗ, ни одна из которых не предусматривает использование коэффициентов запаса. Тем не менее, каждая из этих методик является эффективной и хорошо зарекомендовавшей себя на протяжении многих лет.
Тогда в чем вопрос, и зачем мы поднимаем проблему, которой, казалось бы, не существует? Пусть строительные проектировщики используют коэффициенты запаса, а нам, лакокрасочникам, это не нужно?
Это не совсем верно, и мы сейчас объясним почему.
Существуют три основные категории погрешностей, которые должен учитывать каждый специалист, занимающийся подбором систем защитных покрытий: неточность технического задания, интерпретация результатов испытаний и возможность нанесения защитной системы в соответствии с регламентом. Эти погрешности не учитывает ни одна из перечисленных выше методик, поэтому результат проектирования по этим методикам будет надежным только тогда, когда все погрешности сведены к нулю или четко определены и учтены.
Рассмотрим каждую из категорий погрешностей.
ГОСТ 34667 для определения степени коррозионного воздействия предполагает экспозиционирование образцов в течение года и последующее определение величины коррозионных потерь. Но так ли часто тратят этот год и определяют коррозионные потери, чтобы назначить степень коррозионного воздействия? Не проще ли выполнить назначение по текстовым описаниям, приведенным в стандарте?
Последний вариант допускает неточности характеристик окружающей среды. Вы точно уверены, что в каждом случае сможете разграничить С3 и С4 или С4 и С5? Возможно ли по текстовым описаниям представить розу ветров и понять, будет ли ветер приносить агрессивные вещества с промышленного предприятия, находящегося в нескольких десятках километров от защищаемого объекта? Будет ли морская соль оседать на поверхности, если объект располагается в 15 км от моря?
Некогда работавшие в России глобальные проектировщики, такие как Linde или Technip, почти никогда не давали для открытой атмосферы двухслойные системы, отвечающие требованиям ISO 12944. В свои проекты они закладывали трехслойные системы с цинкнаполненным грунтом и не боялись обосновывать заказчикам необходимость применения таких дорогостоящих решений. Для кого-то это выглядело перестраховкой и казалось избыточным, но эти компании хорошо понимали последствия ошибки или недостаточности входящих данных.
Еще пример. Заказчик передает поставщику опросный лист и просит подобрать защитную систему для условий УХЛ1. Без знания типа атмосферы эта задача не имеет решения, и здесь поставщик может отказаться от предоставления системы, ссылаясь на неполный объем исходных данных, или же самостоятельно провести анализ и предложить техническое решение. В последнем случае поставщик должен учитывать погрешность разработанного решения в связи с некоторой субъективностью анализа и недостаточным объемом данных.
О том, что к результатам испытаний нужно относиться с осторожностью, знают все специалисты. Причин для осторожности две: лабораторные испытания не в состоянии воспроизвести реальные условия, в которых будет работать покрытие (и об этом пишут все стандарты, относящиеся к испытаниям антикоррозионных систем); покрытие, используемое в качестве лабораторного образца, не эквивалентно покрытию, наносимому на объекте. Лабораторный образец изготовлен в идеальных условиях с максимально возможным качеством, чего никогда не бывает в цехах и на объектах.
Для того, чтобы на практике получить срок службы, идентичный тому, что был получен в ходе лабораторных тестов, нужно наносить покрытие в тех же условиях, что и лабораторный образец. Нанесение при высокой влажности или низкой температуре, значительные превышения толщин, длительные межслойные интервалы – все эти факторы сокращают долговечность ЛКП.
Часто можно слышать о переносе положительного опыта с объекта на объект. Подход, в целом, правильный, но и здесь нужна осторожность и понимание, в чем заключается положительный опыт.
Для примера возьмем внутренние поверхности резервуаров. Можно хранить один и тот же нефтепродукт в разных резервуарах, пусть даже эти резервуары находятся в разных климатических зонах. Несмотря на разницу в климате, во всех случаях на покрытие будет воздействовать одна и та же среда, то есть получив удовлетворительные результаты в одном резервуаре, можно переносить эти результаты на другой резервуар. Но если вы будете чередовать хранимые нефтепродукты, и особенно если в список продуктов будут входить не только нефтепродукты, но и вода, то положительного опыта с одним продуктом будет недостаточно: придется рассматривать каждый продукт в отдельности, а возможно и учитывать влияние смены продуктов. Вы можете возразить, что большинство нефтепродуктов оказывают примерно одинаковое воздействие, и больших исследований в данном случае не нужно. Мы не пойдем далеко за аргументами: просто вспомните, что некоторые нефтепродукты приходится нагревать при хранении, а это уже совсем другие условия.
И наконец последняя погрешность – возможность нанесения защитной системы в соответствии с регламентом.
Подрядчик может отступать от требований регламента: в некоторых случаях это делается умышленно по причине сжатых сроков или отсутствия необходимого оборудования, в других случаях причина может быть в непонимании важности соблюдения требований или в банальной лени.
О проблемах с адгезией на оцинковке знает каждый. В качестве способа решения проблемы поставщики предлагают свипинг оцинковки, который действительно часто помогает в решении проблем с адгезией. Но многие ли подрядчики делают свипинг оцинковки? Или даже просто свипинг, если дело касается превышения допустимого межслойного интервала? И вопрос не ограничивается только тем, делает подрядчик эту работу или нет, вопрос нужно рассматривать еще и с другой стороны: а способен ли подрядчик качественно сделать свипинг, не разрушив свипингуемую поверхность? Увы, но далеко не всякий специалист умеет качественно выполнять свипинг, который на самом деле требует больше навыков, чем обычная абразивная очистка. Правильным вариантом со стороны поставщика будет предложение системы, которая будет работать на оцинковке без свипинга, то есть обеспечение технической безопасности своего решения.
Концепция «запаса прочности» нашла применение на объектах, где окраска производится в окружающей атмосфере. Понимая неидеальность условий в открытой среде, а также возможные огрехи в подготовке поверхности, многие поставщики предлагают в качестве грунтов мастичные покрытия. Эти покрытия могут быть не оптимальны с точки зрения скорости сушки или технологичности, но для работы на улице с учетом всех возможных неприятностей они подходят лучше всего.
Как реализуется понятие «запаса прочности» в АКЗ?
С помощью вышеизложенного мы постарались убедить вас в том, что не во всех случаях проектирование АКЗ является очевидным и существуют переменные факторы (погрешности), которые не могут быть учтены в стандартных методиках, но которые влияют на надежность технических решений. Наличие перечисленных факторов, а также некоторой доли неопределенности, присущей всем техническим задачам, требует того, чтобы системы защитных покрытий разрабатывались с учетом необходимых запасов.
В каком виде можно закладывать запас в технические решения?
Выше, говоря о свипинге и оцинковке, мы уже упомянули необходимость применения ЛКМ, допускающих нанесение без выполнения свипинга. Адгезионный слой взамен обычного грунта создает «запас прочности» на случай, если свипинг не будет сделан. Аналогичный пример и с резервуарами: во многих случаях для нефтепродуктов допустимы стандартные эпоксидные покрытия, но в условиях неопределенности, или, когда список хранения включает в себя несколько нефтепродуктов, надежнее применять фенолэпоксидные материалы. В этих примерах «запас прочности» создается за счет применения ЛКМ более высокого уровня.
Еще один пример, который мы упомянули выше, – применявшиеся международными проектировщиками трехслойные системы взамен привычных нам двухслоек. Техническая надежность решения реализуется за счет большего количества слоев.
Ну и самый простой вариант – увеличение толщины системы. Здесь комментарии излишни: чем выше толщина, тем выше антикоррозионные свойства.
Вот и весь арсенал средств: в распоряжении проектировщика есть инструменты увеличения толщины системы, увеличения количества слоев или применения ЛКМ более высокого уровня. Видя погрешности исходных данных, некоторые специалисты, занимающиеся подбором систем, назначают меньшие сроки службы предлагаемых систем – этот инструмент можно также считать методом обеспечения надежности технических решений.
Как и в любой технической задаче, применение понятия «запаса прочности» приводит к удорожанию технического решения. Заказчики вряд ли встретят овациями такое последствие инженерной точности, но такова цена надежности. В конце концов, как мы выяснили в начале статьи, антикоррозионная защита мало чем отличается от других технических отраслей, тогда почему решения в сфере АКЗ должны быть менее надежными, чем остальные?
Статья очень актуальна для нашей отрасли. Вопрос отсутствия чётко установленного запаса прочности в проектировании антикоррозионных систем действительно стоит на повестке дня. Как правильно отмечено, в отличие от машиностроения или строительства, где коэффициенты запаса — обязательный элемент, в АКЗ это понятие пока не получило должного распространения. Особенно важен акцент на трёх ключевых источниках ошибок: неточности технических данных, интерпретация результатов испытаний и качество нанесения покрытий. Практические рекомендации по увеличению толщины покрытия и применению более стойких ЛКМ — это реальные шаги, которые могут повысить надёжность и долговечность защитных систем. Думаю, стоит развивать эту тему с учётом конкретных условий эксплуатации и стандартизации подходов к запасу прочности.
Освещен действительно важный вопрос по тематике лакокрасочной отрасли. В запас прочности, абсолютно согласен, стоит закладывать системы покрытий, обладающих более высокой категорией и сроком службы, чем требуемые по проекту. Как пример, для защитного покрытия металлоконструкций применять вместо 1К грунт-эмали на алкидно-модифицированном связующем систему из эпоксидного грунта и полиуретановой эмали. Или, как вариант повысить толщину первой, поскольку на объектах наряду с невозможностью соблюдения всех условий в виду климатических, временных, связанных с оборудованием и иных факторов, происходит также не редко и нарушение технологического регламента нанесения покрытий: отсутствие должной подготовки поверхности, непопадание или большой разбег по толщинам, несоблюдение интервалов межслойной сушки и пр. В итоге качество покрытия далеко от идеального и срок службы сокращается. Однако, вопрос экономики, основанный как на стоимости материала, так и на стоимости работ, при выборе поставщика также является ключевым и ограничивающим фактором.
Безусловно практически важный вопрос. Но надо четко определиться, о чем же идет речь. Очевидно, что о запасе прочности АКЗ говорят на стадии проектирования, когда на каких-то участках объекта или на всем объекте целесообразно применение более мощной системы покрытий, чем это требуется исходя из прогноза уровня фактических условий его эксплуатации. И действительно, рекомендации по целесообразности применению более мощой АКЗ, чем это необходимо, содержаться в ГОСТ 34667.4. Даже, если кому-то хочется, своего рода коэффициент запаса по АКЗ можно оценивать или в степенях коррозионного воздействия эксплуатационной среды по ГОСТ 9.107 (или ISO 9223), или в увеличении прогнозируемого срока службы покрытия в фактических условиях. Но такой подход справедлив только для поведения покрытий в условиях открытой естественной эксплуатационной среды. В случае же замкнутой эксплуатационной среды, например, внутри емкостей, на что, кстати, действие ГОСТ 34667 не распространяется, предсказать поведение покрытия оказывается гораздо труднее. Тогда, для оценки уровня АКЗ разных покрытий между собой приходится исходить только из результатов разных лабораторных квалификационных испытаний, ориентируясь на химическую природу примененной испытуемой среды и/или жесткость примененных программ испытаний. И в этих случаях, каким-то образом численно охарактеризовать запас прочности между разными предложениями АКЗ совсем не представляется возможным. Единственной объективной оценкой могло бы стать сравнение покрытий по срокам их практической эксплуатации на реальных объектах. Но несмотря на то, что как раз для этих целей в ГОСТ 34667.7 уже легитимировано понятие «контрольный (эталонный) образец» (refernce specimen) у нас, в отличии от всего мира, квалифицированные оценки эксплуатационного поведения ни покрытий, ни технологий их нанесения на практических объектах во время их эксплуатации пока не распространены. Рассматривать же в обсуждаемом вопросе случаи нарушения регламентируемой технологии нанесения выбранных материалов, считаю, вообще неправомерно.