Покрития и системи за защита на стоманени конструкции

Без дълготрайна и истински ефективна корозионна защита много от стоманените конструкции придобиват стар и нелицеприятен вид само след няколко години. Нарушават се и якостните характеристики на съоръжението. Осигуряването на антикорозионна защита на стоманените конструкции и поддръжката на нейните високи експлоатационни характеристики са едни от най-важните фактори, гарантиращи надеждността и дългия експлоатационен срок на съоръженията.

В статията ще разкажем за нормативните изисквания към антикорозионните продукти, за видовете покрития за защита от корозия, за методите за подготовка на повърхността, за дълготрайността на антикорозионните покрития, за видовете защитни системи според полимерния филмообразовател със съответните технически характеристики.

Конструкционните стомани са основен материал за изготвянето на конструкции за строителството на различни здания, мостове, различни машини и други подобни. Обикновените въглеродни стомани обаче не са вечни. Навсякъде, където се експлоатират стоманени конструкции, машини и съоръжения, в природни условия или в технологични среди, има вещества, които взаимодействат с тях и постепенно ги разрушават. Корозията е самопроизволно разрушаване на въглеродните стомани в резултат на физикохимическото им взаимодействие със заобикалящата ги среда. Главната є особеност е нейният хетерогенен характер. Тя протича на фазовата граница черен метал–заобикаляща го течна или газова среда, в резултат на което металът преминава в окислено-йонно състояние. Причината за корозията на черните метали е тяхната термодинамична неустойчивост в различни среди при определени външни условия. Най-разпространените антикорозионни покрития са лаково-бояджийските. Тяхното действие се състои в забавянето на корозионните процеси на границата метал–филм.

Нормативни изисквания
Покритията за защита от корозия на стоманени конструкции намират приложение в конструкции като мачти, кули, зали, резервоари, машини и съоръжения, поддържащи и носещи конструкции, фасади и др. В зависимост от условията на околната среда те са изложени на специфично корозионно влияние. Тези условия са дефинирани в БДС ЕN ISO12944:1998- „Бои и лакове. Корозионна защита на метални съоръжения със системи от защитни бои“-част 2, като категории на корозия от С1 до С5-М, а именно С1–незначителна, С2–малка - малко замърсяване, С3–средна - градска и индустриална среда със средно замърсяване със серен диоксид, С4–голяма-индустриални зони и морски крайбрежни зони със средно съдържание на соли, С5-много голяма-индустрия, индустриални зони с висока влажност и агресивна среда, С5–М – много голяма - морска среда, морски крайбрежни зони с високо съдържание на соли. При тези категории на корозия е установено, че за първата година на въздействие на средата при умерен климат, нелегираната стомана загубва от масата си от 10 до 1500g/m² и намалява дебелината си от 1,3 до 200 микрометъра. При същите условия цинкът загубва от масата си от 0,7 до 60g/m² и намалява дебелината си от 0,1 до 8,4 микрометъра. Във втората част на разглеждания стандарт са посочени и категории корозия при потапяне във вода или поставяне в почвата от Im1 дo Im3, а именно Im1-прясна вода-конструкции в реки, водноелектрически централи, Im2-морска и леко солена вода - крайбрежни съоръжения, метални конструкции в пристанища, врата на шлюзове, язовирна стена, Im3-почва - резервоари в почвата, метални конструкции и тръби. Така атмосферната среда се разделя на шест категории на корозия, а за водата и почвата на три категории.

Осемте части на стандарта подробно разглеждат различните аспекти на корозионна защита, като основни принципи, влияние върху околната среда, обследване и подготовка на повърхността, схеми за първоначална защита и поддръжка, лабораторно изпитване на защитната система, както и оценка и надзор на изпълнението. Много стандарти и наредби се позовават на DIN EN ISO12944:1998. Поради тази причина той се разглежда като основен стандарт, изключително полезен в практиката.

Видове покрития за защита на стоманените конструкции от корозия
Металните и лаково-бояджийските покрития намират широко приложение за защита на стоманените конструкции от корозия. Металните покрития на конструкционните стомани могат да бъдат положени по два начина - чрез термично метално разпръскване и горещо поцинковане. Антикорозионната защита на стоманените конструкции, осъществена чрез термични метални покрития, е силно зависима от избора на покриващия метал и неговата дебелина.

При термичното метално разпръскване се използва разтопен цинк или алуминий. Газопламъчното разпръскане включва образуването на капчици от малкия размер на стопения метал и прехвърлянето им върху обработваемата стоманена повърхност. Върху нея те се задържат и образуват непрекъснат слой. Металният прах или тел от антикорозионния материал се подава към пламъка на ацетилен-кислородна или пропан-кислородна горелка. Стапя се и чрез сгъстен въздух се разпръсква върху стоманената повърхност, където се охлажда и образува покритие. Освен газопламъчно разпръскване може да се изпол­зва и електроволтово-дъгово разпръскване. Получават се покрития с по-ниска порьозност и грапавост на повърхността, както и по-доброто сцепление със стоманената повърхност в сравнение с електроволтовото-дъгово разпръскване. След това порите се слепват чрез полагане на тънко органично покритие, което прониква в дълбочина.

Надеждна защита е и фабричното горещо поцинковане, наречено катодна защита. При него протича свободен обмен на електрони между основния метал - катодът и нанесения върху него слой от цинк - анодът. Защитната функция на покритието се обяснява с протичане на електрохимична реакция, в резултат на което става натрупване на свободни електрони на цинка. Чрез отрицателните си заряди антикорозионното цинково покритие не реагира с кислорода и предпазва основния метал от корозия. Предимството на това покритие е, че представлява не само механична, но и химична бариера за корозията. Дори на места цинковото покритие да е нарушено, то има силно сцепление с основния метал и не позволява на ръждата да се разпространява. Недостатък на този тип защита е сложността на технологичния процес. Извършва се само в промишлени условия чрез потапяне във вана, с което се поставят ограничения в размерите.

Съществува и съвременна технология, наречена Студено поцинковане чрез боядисване. Тя осигурява дълготрайна защита от корозия, чрез нанасяне с четка или пистолет на мястото на експлоатиране на металното изделие. Този метод е приложим на практика за всякакви конструкции от черни метали. Принципът на действие е както при горещото поцинковане. Покритието трябва да има най-малко 94% чист цинк и да се създаде връзка между двата метала на електронно ниво. Много от съвременните продукти за студено поцинковане не изискват предварителна подготовка на основата.

Лаково-бояджийските покрития защитават конструкциите от поцинкована стомана. Последните са уязвими по отношение на корозията, макар и в по-малка степен в сравнение с обикновената стомана. Боядисването на металите с подходящи покрития е начин за осигуряване на допълнителна корозионна защита. Предпазва се повърхността им от агресивните външна влага, слънчево лъчение, соли, химикали. Обхватът на тези материали гарантира устойчивост на корозия и декоративни покрития с висока еластичност. За предотвратяване на корозията се използват антикиорозионни защитни системи на базата на различни полимерни филмообразуващи вещества. Ефективността на всяка система за антикорозионна защита зависи от първоначалното състояние на повърхността, качествата на материалите за покритие, от възможносттa за лесна поддръжка и възстановяване на повредените участъци, от подготовката на повърхността. Последната е най-важният базов етап от обработването на стоманената основа, преди нанасянето на каквото и да покритие, и e важeн фактор за качеството на антикорозионната защита.

Методи за подготовка на повърхността
При полагането на защитно покритие е задължително лаково-бояджийският материал да прилепва плътно към повърхността. Подготовката на повърхността на стоманените конструкции, преди полагането на антикирозионните покрития върху тях, може да се извърши чрез почистване с вода, разтворители и химикали, струйно механично и пламъчно почистване. Използват се следните стандартни степени за основна, обща подготовка на повърхността съгласно с ISO 8501-1, като Sa-струйно почистване, St-ръчно или механично почистване, FI-пламъчно почистване, Ве-киселинно байцване. Има и два вида подготовка на повърхността. Първият вид е първичната, общата подготовка на повърхността, т.е. подготовка на цялата стоманена повърхност без покритие. Този тип подготовка на повърхността включва премахване на окалината, ръждата, съществуващите покрития и замърсителите. След първоначалната подготовка на повърхността, цялата повърхност на стоманата остава без покритие. За постигане на целта се използват и следните стандартни степени за подготовка на повърхността, като струйно почистване, ръчно или механично почистване, пламъчно почистване, киселинно байцване. Вторият вид е частичната подготовка на повърхността. При този тип подготовка на повърхността се отстраняват ръждата и замърсяванията, но се оставят здравите, неповредени бояджийски и метални покрития. За постигането на този резултат се използват стандартните степени на частична подготовка, като частично струйно почистване, частично ръчно или механично почистване.

Остатъчният валцовъчен обгар по стоманената повърхност е неблагоприятна основа за полагане на съвременните високотехнологични защитни покрития и следва да се премахне с песъкоструйно почистване. Боядисването на поцинковани повърхности има своите особености в предварителната подготовка на повърхността. Тези повърхности не трябва да се подлагат на традиционното дробеструйно почистване, тъй като то нарушава естествената им корозионна устойчивост. В случая се прилагат специални абразивни материали - кръгли стъклени частици, които не разрушават защитния цинков слой на повърхността. В много от случаите е достатъчна само обработка с амонячен разтвор за отделяне на мазни петна и продукти от корозия на цинка.

Дълготрайност на антикорозионните покрития
Системите за антикорозионна защита са подходящи за използване при различни дебелини, площи и обеми, както и за ремонтни работи. Покритията притежават оптимален вискозитет при различни температури с цел получаване на желаните дебелини на мокър и сух слой. Това се постига с минимален брой слоеве. Адхезията на голяма част от покритията към поцинкованата стомана е недостатъчна. Това налага използването на специални бои, които имат повишена адхезия и осигуряват надеждно сцепление с повърхността, допълнителна корозионна защита, максимално проста и удобна употреба, привлекателен външен вид, дълъг експлоатационен срок. Определенията за дълготрайност на лаково-бояджийските системи и границите на дълготрайност са дадени в ISO 12944-1. Дъготрайността на защитните бояджийски системи се изразява в очаквания срок на годност на защитната система до първия ремонт. Експлоатационният срок на защитната бояджийска система зависи от няколко параметъра, като типът на бояджийската система, проектно-конструктивните решения, състоянието на повърхността преди подготовката, ефективната подготовка на повърхността, стандартите и условията по нанасяне на покритието, разяждащото въздействие след нанасянето. В разгледания стандарт, срока на експлоатация се изразява в три нива, като Low(L) от 2 до 5 години, Medium(М) от 5 до 15 години, Висок(H) над 15 години. Експлоатационният срок не е гаранция. Гаранционният срок е обикновено по-кратък от експлоатационния.

Лаково-бояджийски системи за защита от корозия
Производителите са разработили разнообразни системи от антикорозионни покрития. Те постоянно се подобряват и обновяват. Широкото използване на стоманите в строителството и в други области налага непрекъснати изследвания и нововъведения в борбата с корозията. Покритията за съвременна корозионна защита са двукомпонентни системи с високо съдържание на пълнители и намалена концентрация на разтворители, еднослойни системи за боядисване на горещо поцинковани метални конструкции, системи от покрития, неизискващи особена подготовка на повърхността, едно- и двукомпонентни системи от покрития на водна основа. В Западна Европа сега пазарът за антикорозионни покрития се разраства благодарение именно на тези четири групи продукти.

Първата група включва двукомпонентни системи с високо съдържание на пълнители. Това са продукти, в които процентното съдържание на разтворители и произхождащи от тях летливи органични съединения не надвишава 35%. За бита се предлагат предимно еднокомпонентни покрития с високо съдържание на пълнители. За промишлеността и строителството те са практически неизползваеми и се заменят от двукомпонентните. Причината е, че лакобояджийските материали с висока концентрация на пълнители съхнат по-бавно от обикновените, а използването на двукомпонентни системи позволява по-бързо изсъхване чрез подбор на подходящ втвърдител. Основно предимство на покритията с високо съдържание на пълнители, в сравнение с обикновените, е зчително по-добрата им корозионна устойчивост при аналогична дебелина на слоя. По-малкият разход на материал и възможността за получаване на по-дебело покритие обезпечава сигурна антикорозионна защита. Пример за трислойна двукомпонентна система е епоксиден грунд с цинков фосфат – дебелина около 80 микрометъра, епоксидно междинно покритие, съдържащо ферослюди – 80 микрометъра и полиуретаново повърхностно покритие с ферослюди – 80 микрометъра. Възможни са също и двуслойни двукомпонентни системи с използване на състави с високо съдържание на пълнители. Пример за такава система е епоксиден грунд с голяма концентрация на цинков фосфат – 80 микрометъра и полиуретаново повърхностно покритие с ферослюди – 80 микрометъра. Доказано е с множество тестове, че двуслойните двукомпонентни системи с високо съдържание на пълнители припокриват 80-90% от антикорозионната устойчивост на трислойните. По-малкият брой слоеве определя по-ниските цени на покритието като продукт и на бояджийските работи поради опростяване на боядисването. Тенденцията е към утвърждаване на опростените двуслойни системи с голямо съдържание на пълнители да достигнат 100% от корозионната защита на трислойните.

Втората група съвременни антикорозионни покрития са еднослойните системи. Използването им е възможно само при определени условия. Препоръчват се за ново боядисване, за вътрешно приложение или в условия без агресивни климатични въздействия. Необходима е информация за корозионно натоварване, на което е подложена боядисаната конструкция. Използването на еднослойни покрития е възможно при наличие на положителен опит с подобни конструкции или след проведени лабораторни изпитвания. Повърхността трябва да е предварително подготвена. Боядисването се извършва от квалифициран персонал в съответствие с техническите указания на производителя. Необходимо е строго спазване на препоръчителната дебелина на слоя. Еднослойните антикорозионни покрития за боядисване на метали са разработени на основата на синтетични филмообразователи. За боядисване на конструкции, изложени на средно корозионно натоварване, са възможни еднокомпонентни покрития на базата на комбинация от акрилни и поливинилхлоридни полимери. Такива покрития се нанасят в един слой, не се нуждаят от предварително грундиране на повърхността и позволяват боядисването да се извършва и при отрицателни температури. В случай, когато е необходима по-добра корозионна защита, се препоръчват двукомпонентни системи на базата на епоксидни, полиуретанови и други полимери. Те също не изискват предварително грундиране, еднослойни са, имат висока механична устойчивост и обезпечават дългосрочна корозионна защита.

Третата група продукти са системите покрития, неизискващи предварителна подготовка на повърхността. Те се използват в случаи, когато обработката преди боядисване би отнела много средства и време. Практиката познава много подобни случаи. В Западна Европа такива покрития са използвани при реконструкция на мостове, боядисвани последно преди 20-25 години, когато са се използвали оловосъдържащи бои. Оказало се, че традиционното пясъкоструйно сваляне на оловосъдържащи бои ще излезе твърде скъпо поради строгото екологично законодателство. При тези обстоятелства е много по-изгодно ръчното сваляне на ръждата с метална четка и полагането на покритие, неизискващо предварителна подготовка. Една такава система е например двукомпонентен епоксиден грунд с високо съдържание на пълнители, двукомпонентно междинно епоксидно покритие с високо съдържание на ферослюди, повърхностно полиуретаново покритие с ферослюди.

Четвъртата група продукти са екологично чистите антикорозионни покрития на водна основа, несъдържащи разтворители. Те не се използват така често, както останалите. Причините за това са по-високата в сравнение с традиционните материали цена и разпространеното в професионалните среди мнение, че водните системи имат по-лоши защитни свойства. Във връзка с все по-строгото екологично законодателство в Европа и целия свят, популярността им расте. Специалистите, използвали качествени материали на водна основа, са се убедили, че защитните им качества не са по-лоши от тези на традиционните покрития, съдържащи разтворители. Възможни са различни варианти на антикорозионна защита, например еднослойно акрилно покритие на водна основа или еднослоен епоксиден грунд на водна основа, плюс еднослойно епоксидно покритие на водна основа. Друга възможност е системата от два слоя епоксиден грунд на водна основа с един слой полиуретаново покритие на водна основа. Такива системи нямат миризма, не отделят летливи органични съединения и са приложими при метали в закрити помещения, без допълнителна вентилация.