Estación de investigación del mar de Ross en la Antártida

1. Fractura de acero de temperatura ultra baja

Los grados convencionales de acero estructural como Q355B o incluso Q355C pierden la ductilidad rápidamente a medida que la temperatura cae. A -40 °C, la energía de impacto de la marca Charpy V del acero estructural estándar puede caer por debajo de 27 J el mínimo especificado por GB / T 1591 para la calidad del grado C. A la temperatura mínima de diseño de -80 °C, los grados estándar muestran un comportamiento de fractura frágil, lo que significa que una grieta iniciada en un punto de concentración de estrés (un dedo de soldadura, un agujero de tornillo, un defecto de fabricación) puede propagarse catastróficamente a través de todo el miembro sin deformación plástica para detenerlo. Este es el modo de falla más peligroso en la ingeniería estructural polar: la estructura aparece intacta hasta el momento en que se rompe.

El desafío se agravó por el hecho de que la soldadura el proceso de unión inevitable en la construcción de acero crea una zona afectada por el calor (HAZ) con una microstructura alterada. La HAZ es típicamente el eslabón más débil en el servicio a baja temperatura: las velocidades de enfriamiento rápidas de la soldadura en ambientes fríos pueden producir microstrucciones martensíticas frágiles en la HAZ, reduciendo drásticamente la resistencia en un lugar donde las tensiones residuales ya son más altas. Cada conexión soldada en el marco de acero de la estación era un sitio potencial de inicio de fractura frágil.

2. Carga extrema de viento 100 m/s Diseño Gust

Los vientos catabaticos de la Antártida no son como los tifones. Un tifón llega, pasa y sale. Los vientos catabaticos son una característica atmosférica permanente: el aire denso y frío de la meseta polar fluye hacia abajo bajo la gravedad, acelerándose a medida que converge a través de valles costeras. En el sitio del Mar de Ross, estos vientos pueden sostener 60 m/s durante horas y producir ráfagas que se acercan a 100 m/s equivalentes a un huracán de categoría 5, pero que llegan no una vez al siglo, sino repetidamente durante todo el invierno.

Las implicaciones estructurales son graves. Las escalas de presión del viento con el cuadrado de velocidad: una ráfaga de 100 m/s genera aproximadamente cuatro veces la fuerza lateral de un viento de 50 m/s. La envoltura del edificio, el techo y las plataformas elevadas enfrentan cargas de viento que destruirían estructuras diseñadas para los códigos normales de construcción.

Más allá de la presión estática del viento, se tuvo que evaluar el derramamiento de vórtices e inestabilidad aerolástica. Una estructura con la frecuencia natural correcta (errosa) puede entrar en oscilación autoexcitada bajo viento constante el mismo fenómeno que destruyó el Puente de Tacoma Narrows. La geometría de la estación, la distribución de rigidez y la distribución de masa tuvieron que ser sintonizadas para evitar la respuesta de resonancia en todo el espectro de velocidades del viento que experimenta el sitio.

3. Corrosia de la sal en el medio marino polar

La costa del mar de Ross es un entorno marino. El sal de la sal del océano Sur, transportado por vientos katabáticos, deposita iones cloruro en cada superficie expuesta. En un clima templado, la lluvia lavaría periódicamente estos depósitos. En la Antártida, no hay precipitación líquida la sal se acumula en la estructura continuamente. El ciclismo de congelación crea micro grietas en los sistemas de recubrimiento, lo que permite la penetración del cloruro en el sustrato de acero. Una vez que los cloruros llegan a la superficie del acero, se inicia la corrosión de enchufado, y en una estructura que debe durar 25-30 años sin un mantenimiento mayor, incluso una corrosía menor puede comprometer miembros de pareduras delgadas.

El reto no era simplemente seleccionar un revestimiento resistente a la corrosión. Era la ingeniería de un sistema de protección contra la corrosión que se podría aplicar en una fábrica, sobrevivir al abuso mecánico del transporte y montaje, y luego funcionar durante décadas sin reaplicación porque revestimiento de una estructura de acero en la Antártida durante el invierno es operacionalmente imposible.

4. Fundación sobre la acumulación de permafrost y nieve

El sitio de la estación se encuentra en un suelo de permafrost que permanece por debajo de 0 °C durante todo el año. La construcción en permafrost es fundamentalmente diferente de la construcción en suelo templado. El calor conducido desde el edificio a través de su fundación puede descongelar el permafrost subyacente, causando un asentamiento diferencial.

La acumulación de nieve añadió otra dimensión al reto de la fundación. La nieve flotante alrededor de un edificio en la Antártida puede acumularse a profundidades superiores a 3 éteres en un solo invierno. La fundación y la estructura inferior tuvieron que soportar no solo cargas verticales de nieve sino la presión lateral de las derivaciones de nieve que presionan contra el envolvente del edificio. El diseño de plataforma elevada elevación del edificio sobre pilotes de acero fue elegido específicamente para permitir que el viento se arrastrara la nieve desde debajo de la estructura en lugar de acumularla.

5. Ventanas de construcción y logística

La ventana de construcción antártica es de aproximadamente 6-8 semanas al año durante el verano austral (novembre-enero). Cada componente tenía que llegar por barco durante esta ventana, descargarse en hielo marino o un muelle de hielo temporal, transportarse al sitio y ensamblarse antes de que el barco salga. No había oportunidad de "entregar la próxima semana" una parte que faltaba o reemplazar un componente dañado. Todo tenía que estar bien la primera vez, con piezas de repuesto redundantes para cada conexión crítica.

La cadena logística desde nuestra planta de fabricación de Xuzhou hasta el sitio del Mar de Ross abarca aproximadamente 15.000 km e implica el transporte de camiones, manejo portuario, transporte marítimo a través del Océano Sur, escolta de hielo y transporte final sobre hielo por trineo o helicóptero.

Servicio de alta temperatura de acero estructural Tecnología central No 9

La solución de materiales se centró en nuestra tecnología patentada de soldadura de acero estructural de servicio a ultrabajas temperaturas, la novena de nuestras nueve capacidades de fabricación centrales. Los miembros estructurales primarios fueron fabricados a partir de grados de acero de servicio a baja temperatura calificados para el servicio a −50 °C y por debajo. Estos aceros se producen con micro aleación controlada (nibio, vanadio, titanio) y equivalentes de bajo carbono (CEV < 0,38) para garantizar que la zona afectada por el calor conserva una resistencia adecuada después de la soldadura.

La especificación de procedimiento de soldadura (WPS) fue desarrollada y calificada específicamente para este proyecto.

• Temperatura de precalentamiento: Se eleva a 80-120 °C para retardar la velocidad de enfriamiento y evitar la formación de martensita frágil en la zona de refrigeración, incluso cuando la temperatura ambiente está muy por debajo del nivel de congelación durante la fabricación.
• Control de temperatura entre pases: Manteniéndose dentro de una banda estrecha para garantizar una microstructura consistente en las soldas de múltiples pasos.
• Los productos de consumo: Electrodos y flujos de bajo contenido de hidrógeno con control de humedad para evitar la grieta en frío inducida por hidrógeno un modo de falla que se acelera dramáticamente a bajas temperaturas de servicio.
• Pruebas posteriores al soldado: Pruebas de ultrasonido del 100% de las soldas críticas, con pruebas de nivel V de Charpy de los cupones de calificación del procedimiento a −50°C y −80°C para verificar la dureza de la HAZ.

Cada soldador asignado a este proyecto se sometió a pruebas de calificación adicionales, incluida la deposición de cupones de prueba que fueron probados posteriormente a -80 °C. Esta no es una práctica estándar la mayoría de las cualificaciones de soldadura estructural verifican el rendimiento solo a temperatura ambiente.

Sistema de construcción modular

La solución arquitectónica y estructural al reto logístico fue un sistema de construcción totalmente modular. En lugar de enviar miembros individuales de acero para ser ensamblados en el hielo, la estación fue diseñada como un conjunto de módulos tridimensionales de acero enmarcados que eran:

• Fabricado completo en nuestra planta de Xuzhou, incluyendo el marco estructural, el suelo, las paredes y los elementos del techo
• Disponible con particiones internas, accesorios de utilidad y aislamiento en la medida de lo posible dentro del entorno de la fábrica
• Enviado en dimensiones estándar de contenedores para minimizar las complicaciones del transporte
• Montaje en el lugar mediante el envoloto de los módulos juntos, con una soldadura mínima de campo reduciendo tanto el tiempo como el riesgo de calidad de la soldadura en frío extremo

Este enfoque aprovechó nuestro sistema de construcción prefabricado La capacidad, donde el entorno de la fábrica proporciona temperaturas controladas, humedad y condiciones de iluminación que son imposibles de replicar en el campo. Las conexiones de campo fueron predominantemente cerradas, utilizando cerrones de fricción de gran resistencia que habían sido calibrados por par en la fábrica y que solo requirieron una verificación final en el lugar.

El enfoque modular también significaba que cada módulo podía ser probado por carga, inspeccionado y firmado individualmente antes del envío. Un módulo no conforme podría ser reelaborado en la fábrica.

Ingeniería aerodinámica del viento

El diseño del viento fue mucho más allá de los cálculos de presión del viento estática basados en código. El análisis de dinámica de fluidos computacionales (CFD) se realizó en la geometría final de la estación para identificar patrones de flujo del viento, distribuciones de presión y frecuencias potenciales de derramamiento de vórtices.

El diseño de la plataforma elevada, con el edificio principal levantado en columnas de acero sobre la superficie de la nieve, sirvió para dos propósitos. Primero, permitió que el viento katabático fluyera debajo de la estructura, escupir la nieve acumulada y evitar que el edificio se enterrara. Segundo, redujo el área proyectada hacia el viento a nivel del suelo, donde la nieve que deriva crea las más altas presiones laterales. Las conexiones columna-fundamento fueron diseñadas para el momento de revuelta completo de un viento de 100 m / s en el edificio elevado un caso de carga que produce fuerzas de elevación de tensión que los anclajes de la fundación tuvieron que resistir sin tirar.

La elevación de los tejados se ha realizado mediante una combinación de forma aerodinámica (reducción del coeficiente de absorción en la superficie del techo) y capacidad de ataduras estructurales (segurando que las conexiones del techo a la pared puedan resistir la peor fuerza de elevación). estructura de la rejilla espacial un sistema cuya redundancia inherente significa que el fracaso de un solo miembro no conduce a un colapso progresivo, porque las vías de carga se redistribuyen a través de la red tridimensional.

Sistema de protección contra la corrosión

La estrategia de protección contra la corrosión era un sistema de tres barreras:

• Substrato: Acero con preparación de superficie controlada a Sa 2.5 (limpieza de la explosión de metal casi blanco) inmediatamente antes de la preparación
• Primero: Primería de epoxi rico en zinc que proporciona protección galvánica en cualquier lugar donde se dañe la capa superior
• Capa intermedio y superior: Capa superior de epoxi y poliuretano de alta construcción, con un espesor total de película seca (DFT) superior a 350 μm , aproximadamente tres veces el espesor del revestimiento de un edificio industrial estándar

Se prestó especial atención a los perfiles de bordes de recubrimiento. Los bordes afilados son los primeros lugares donde los recubrimientos fallan, porque el recubrimiento se adelgaza sobre un radio. Todos los bordes externos se irradiaron, y se aplicaron barras de barras a todos los bordes, esquinas y perfiles de soldadura antes de la aplicación de recubrimiento de área completa. Este proceso intensivo en mano de obra es estándar en la ingeniería marina y marina, pero es raro en la fabricación general de estructuras de acero.

Isolación térmica a nivel de base

El diseño de la fundación incorporó aislamiento térmico entre el interior del edificio calentado y el sustrato de permafrost. Las columnas de la fundación de acero se especificaron con conexiones de ruptura térmica material aislante insertado en la trayectoria de carga para interrumpir el flujo de calor conductivo del edificio hacia el suelo. Esto evita el deshielo del permafrost, lo que causaría un asentamiento diferencial y potencialmente desestabilizaría toda la estructura.

La estructura de acero elevada también proporciona un espacio de rastreo ventilado debajo del edificio, lo que permite que el aire ambiente (frio como es) mantenga la temperatura del suelo en su estado natural en lugar de permitir que el calor de la construcción caliente el permafrost. Este es el mismo principio aplicado en la construcción ártica y subártica, pero extendido a un gradiente térmico mucho más extremo.

La estación de Ross Sea en la Antártida es más que un edificio. Para Permanent Steel, es la prueba definitiva de nuestra capacidad de fabricación. Si nuestras soldas se mantienen a -80 °C bajo una carga de viento de 100 m/s, se mantienen en cualquier lugar. Cada procedimiento de soldadura, cada protocolo de control de calidad, cada especificación de material desarrollada y validada para este proyecto se ha incorporado a nuestra práctica estándar para proyectos de regiones frías y ambientes extremos.

Para el programa Antártico de China, la estación proporciona una presencia científica durante todo el año en el sector Pacífico de la Antártida por primera vez en la historia. Los laboratorios, los cuartos de estar y las plataformas de observación de la estación apoyan programas de investigación que contribuyen a la ciencia climática global, la oceanografía y el monitoreo del clima espacial investigación que depende de la integridad estructural de un edificio que el 99,9% de los fabricantes de acero no pudieron construir.

Para la industria de la estructura de acero, este proyecto demuestra que los fabricantes chinos pueden ofrecer ingeniería estructural de medio ambiente extremo a un nivel que anteriormente solo se asociaba con empresas de ingeniería especializadas del Ártico. La combinación de soldadura de acero a ultrabajas temperaturas, prefabricación modular, protección contra la corrosión marina y ingeniería eólica aerodinámica en un solo proyecto representa un perfil de capacidad que muy pocos fabricantes en todo el mundo pueden igualar.

Aseguramiento de la calidad y lecciones aprendidas

El proyecto reforzó varios principios que ahora están integrados en nuestro sistema de gestión de la calidad:

• Prueba a temperatura de servicio, no a temperatura ambiente. Los materiales y las cualificaciones de soldadura que pasan a +20 °C pueden fallar catastróficamente a temperatura de servicio.
• Modular cuando las condiciones de campo son hostiles. La relación entre las soldas de fábrica y las soldas de campo en este proyecto superó 10:1. Cada soldada que se mueve del campo a la fábrica es una soldada hecha en condiciones controladas, inspeccionada bajo una iluminación adecuada y reutilizable si no cumple con los requisitos. Este principio se aplica a cualquier proyecto donde el acceso al sitio o las condiciones ambientales son limitadas no solo en la Antártida.
• La calidad del revestimiento es la calidad estructural. En un entorno en el que el revestimiento es imposible durante años, el sistema de protección contra la corrosión no es un acabado es un elemento estructural.