Исследование коррозионного поведения и прогнозирования ухудшения механических свойств болтов в условиях сильно минерализованной коррозионной среды

Почему болты глубоко под землёй могут незаметно выйти из строя

Глубоко под землёй стальные болты поддерживают кровлю и стенки угольных шахт, не давая выработкам обрушиться на работающих внутри людей. В некоторых шахтах вода, окружающая горные породы, насыщена растворёнными солями, создавая агрессивную химическую среду, которая постепенно разрушает эти скрытые опоры. В этом исследовании ставится простой, но важный для безопасности шахт вопрос: как быстро ослабляются болты в таких условиях и может ли более удачная конструкция болтов служить дольше?

Скрытая опасность в солёных породных выработках

Исследователи сосредоточились на «сильно минерализованных» шахтных условиях, где тёплый, очень влажный воздух и насыщенная солями вода совместно атакуют металл. В таких выработках стальные болты находятся в тонкой плёнке солёной влаги, а не в сухой среде, что значительно ускоряет коррозию. Авторы отмечают, что по мере углубления шахт температура растёт, а фильтрация грунтовых вод замедляется, что часто повышает концентрации хлоридов и сульфатов. Эти условия склоняют болты к локальному повреждению в виде ограниченных очагов, а не к равномерному ржавлению, поэтому болт может визуально выглядеть в целом нормально, но внезапно сломаться в ослабленном месте, что создаёт риск обрушений кровли и выбросов породы в выработке.

Испытания обычных и цинк‑защищённых болтов

Чтобы оценить масштаб проблемы, авторы провели годичные испытания на вымачивание двух типов стальных болтов диаметром 20 мм: обычных болтов и болтов с диффузионным цинковым покрытием с высоким содержанием цинка. Образцы погружали в растворы с разными концентрациями ионов хлора и сульфатов, отдельно и в комбинации, при повышенной температуре. Через 365 дней они удаляли окалину, измеряли потерю массы, чтобы оценить глубину коррозии, исследовали продукты коррозии с помощью рентгеновского анализа и испытывали болты на растяжение, чтобы определить потерю прочности.

Как солёная вода атакует сталь и как цинк меняет картину

На поверхности обычных стальных болтов образовалось множество мелких глубоких ямок вместо однородного слоя ржавчины. Хлорид оказался наиболее агрессивным ионом, вызывая больше и более крупные питты, чем сульфат при одинаковой концентрации. В присутствии обоих ионов они конкурировали за участки на металлической поверхности: повышение уровня хлорида усугубляло питтинговую коррозию, тогда как повышение содержания сульфата могло несколько смещать повреждение в сторону более равномерной атаки. Окислы на обычных болтах были рыхлыми и незащитными, что позволяло ионам и влаге продолжать проникать. Контрастно, на цинк‑обработанных болтах образовывались продукты коррозии, богатые цинковыми соединениями, плотно упакованные и действующие как щит. Ямки на этих болтах были реже и мельче, а потеря прочности за тот же срок была значительно меньше.

От ямок на стали к «часам» потери прочности

Поскольку питты действуют как маленькие надрезы, концентрирующие напряжение, команда связала глубину ямок напрямую с потерей предела текучести и прочности на разрыв. В наблюдаемом диапазоне повреждений потеря прочности увеличивалась почти линейно со средней глубиной коррозии. Для превращения этого в инструмент прогнозирования они создали математическую модель появления и роста ямок с течением времени в хлоридосодержащей воде, учитывая влияние температуры. Модель описывает распределение размеров ямок статистически, используя вероятностное распределение, в котором преобладают средние по размеру ямки и реже встречаются очень маленькие или очень большие. Объединив эту модель с лабораторными данными, авторы вывели формулы, выражающие потерю прочности болта как функцию уровня хлорида, температуры и времени эксплуатации.

Что модель говорит о сроке службы болтов

Используя свою временную модель, авторы показывают, что повышение как концентрации хлорида, так и температуры резко укоротит срок службы болтов в экспоненциальной зависимости. Например, удвоение уровня хлоридов в типичном диапазоне для некоторых китайских угольных шахт может сократить ожидаемый срок службы обычных болтов более чем вдвое. Повышение температуры пород оказывает схожее, но несколько менее выраженное влияние. Сопоставление предсказаний модели с реальной выработкой, где болты эксплуатировались около года в очень солёных условиях, показало, что рассчитанные глубины коррозии и потери прочности тесно совпали с лабораторными и полевыми измерениями. Такое согласие говорит о том, что модель может помочь инженерам оценивать, когда болты рискуют стать опасно слабыми.

Более безопасные крепления для жёстких шахтных условий

Чтобы снизить риск внезапных отказов болтов в сильно минерализованных шахтах, исследование рекомендует заменять обычные болты на цинк‑обработанные и применять цинк‑покрытые пластины, сетки и другие элементы конструкции, чтобы вся система крепления корродировала медленнее и более равномерно. Инъектирование вокруг болтов плотными щелочными материалами и установка наружных втулок дополнительно препятствуют доступу солёной воды к стали. Вместе с лучшим контролем температуры в шахте и постоянным мониторингом состояния крепей эти меры могут продлить срок службы болтов и повысить безопасность подземных выработок.

Цитирование: Zhang, J., Li, S., Du, Z. et al. Study on corrosion behavior and mechanical performance degradation prediction of bolts in high mineralized corrosion environment. Sci Rep 16, 14885 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45566-2

Ключевые слова: коррозия болтов, глубокая добыча угля, цинк‑покрытые болты, питтинговая коррозия, прогноз срока службы