Антикорозионна защита на метални конструкции в пътната инфраструктура

Металните конструкции в транспортната инфраструктура играят важна роля. Те имат дълъг експлоатационен живот, но както всеки материал и те имат недостатъци. Най-важният им осезаем минус е силната податливост на корозия.
В статията ще разкажем за видовете корозия в металните конструкции, за синхронизирания БДС за антикорозионна защита, за основните методи за защита от корозия, за лаковобояджийските и металните покрития, за антикорозионната защита на метални мостове.

Металът се използва в носещи конструкции, мостове, подводни и повърхностни конструкции. Той постоянно корозира, като се започне от самото производство и завършва с транспортиране и съхранение, както и по време на експлоатация. Причината е, че корозията е самопрoизволен процес на електрохимично или химическо взаимодействие на метала и околната среда, което води до окисляване и разрушаване на метала. Той загубва масата си и структурата му започва да се руши. Всичко това води до силна загуба на якост и дълготрайност на конструкцията. Най-уязвими при корозията са най-разпространените черни метали, но голямо влияние този процес оказва и върху експлоатацията на цветните и редките метали.

Според експерти щетите от корозия, свързани със загуба на метал от метални конструкции, продукти и оборудване, достига до 20%. Затова въпросът за антикорозионната защита на металните конструкции винаги е много важен. За предпазване на металните повърхности от корозия се използва антикорозионна обработка. Последната представлява покриване на металните повърхности с тънък слой от друг метал, сплав или неметални материали, за да ги предпази от корозия. Актуалността на антикорозионната обработка се обяснява със специалната интензивност на корозионните процеси в металите при условия на висока относителна влажност и замърсяване на въздуха.

Видове корозия в металните конструкции
В зависимост от характера на разрушаването, основните видове корозия в металните конструкции са обща - равномерна и неравномерна, и локална - на петна, язвена.

Общата корозия се разпространява по цялата метална повърхност в контакт с корозионната среда. Тя може да бъде равномерна, когато протича с приблизително еднаква скорост. Дължи се на равномерното влияние на външната среда върху цялата повърхност на конструкцията. В резултат се получава относително равномерно намаляване на дебелината на сечението на елемента по цялата повърхност. Равномерната корозия се среща в конструкции с разрушено и дълго време не ремонтирано защитно покритие. Неравномерната корозия, не протича с еднаква скорост на различни участъци от повърхността, например корозия на конструкция от въглеродна стомана в морска вода.

Локалната корозия обхваща само някои участъци от повърхността на метала. Тя може да бъде на петна и язвена.

Корозията на петна се разпространява на сравнително големи по площ, но не дълбоки участъци. Характеризира се с малка дълбочина на корозионно проникване, в сравнение с повърхностните напречни размери на корозионните поражения. Засегнатите участъци се покриват от корозионни продукти, както при равномерната корозия. Тези продукти покриват само локални повърхнини. Корозията на петна се дължи на повишена агресивност на околната среда, вследствие попадане върху металната повърхност на кондензат, атмосферна влага, локално натрупване или отлагане на соли, и др. Язвената корозия, е във вид на отделни малки по площ, но дълбоки поражения по повърхността на конструкцията. Тяхната дълбочина и напречни размери(до няколко милиметра) са съизмерими. Например, такава е корозията на въглеродни стомани в почва. Корозията на петна или язвената корозия, може да се развива под защитното покритие. Тази форма на корозия се нарича подфилмова. Тя нарушава адхезията на защитното покритие. На корозиращата повърхност, могат да присъстват едновременно различни видове корозионни повреди. С течение на времето, на една и съща повърхност, е възможен преход от един вид корозия към друг. Например, подфилмовата корозията може да се превърне в корозия на петна, след това в обща корозия, включително с образуването на дълбоки язви. Язвената корозия е най-опасния вид корозия, тъй като нейното развитие може да доведе до доста бързо намаляване на площта на напречното сечение на елемента в локалния участък. При това общото външно състояние на антикорозионното покритие ще бъде задоволително.

Професионална антикорозионна защита на метални конструкции в транспортното строителство се извършва с прилoжение на най-новите антикорозионни покрития и в съответствие с изискванията на международните стандарти.

Синхронизиран БДС за антикорозионна защита
В инфраструктурното строителство покритията за защита от корозия на стоманени конструкции намират приложение в мостове, носещи естакади, надлези, мантинели, и други обекти на транспортната инфраструктура. Антикорозионните покрития на стоманените конструкции в зависимост от условията на околната среда, са изложени на специфично корозионно влияние. Тези условия са дефинирани в БДС ЕN ISO12944:1998-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-l-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 1500 g/m² и намалява дебелината си от 1,3 до 200 микрометъра. При същите условия цинка загубва от масата си от 0,7 до 60 g/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. ISO12944:1998 дава основата на защитните системи, очертавайки рамките на необятното поле от метални конструкции, нуждаещи се от корозионна защита.

Основни методи за защита от корозия
Основната цел на методите за защита на металните конструкции е изборът на материали, ограничаващи достъпа на агресивни среди до метални повърхности, както и начините за тяхното приложение. В допълнение към избора на специално покритие за метали, се препоръчват и следните методи за оптимално използване на метални конструкции. Елиминиране по повърхностите на конструкциите на всякакви пукнатини или вдлъбнатини, в които може да се натрупа влага или да се образува своеобразна аномална температурна зона, която може да доведе до увреждане на антикорозионното покритие. Защита на конструкциите срещу пръски и капки вода. Въвеждане на специални инхибитори в агресивната среда. Съществуват различни методи за защита от корозия, които зависят от характеристиките на материала, който трябва да се защитава, от характеристиките на неговата експлоатация, както и от агресивността на околната среда. Най-често антикорозионната защита се състои в нанасяне на слоеве на защитни покрития на основата на органични и неорганични материали върху повърхността на металните конструкции-бариерен метод на защита, по-специално с лаково-бояджийски материали, метали и сплави.

Лаково-бояджийски покрития
Лаково-бояджийските антикорозионни покрития са най-разпространени в практиката. Отличават се с лекота на нанасяне, възможност за избор на цветове и обработка на метални конструкции с големи размери и сложни конфигурации. Антикорозионното действие на лаково-бояджийските покрития се състои в забавянето на корозионните процеси на границата метал–филм. За да изпълни предназначението си, покритието трябва да бъде непрекъснато, безпоресто, газо- водонепроницаемо, химично устойчиво в съответната среда, еластично и да притежава висока адхезия към основата, а така също нужната механична якост и твърдост. Лаковобояджийските покрития предпазват металната повърхност от агресивните външна влага, слънчево лъчение, соли, химикали. За предотвратяване на корозията се използват защитни лаковобояджийски системи, в чийто състав влизат полимерни филмообразуващи вещества, пигменти, пластификатори, пълнители, разтворители, разредители, втвърдители и други добавки. Филмообразуващите вещества са основен компонент на лаковобояджийските материали и определят техните физични и химични свойства. При изсъхване на покритието те образуват тънък непрекъснат филм на защитаваната повърхност. В практиката все по-често се използват смеси от филмообразуващи вещества с цел придаване на подходящи свойства на образувания филм или за приспособяване на лаковобояджийския материал към даден метод за нанасяне. Дебелината на сухия слой на лаковобояджийското покритие е важен параметър в корозионната защита на металите, засягащ експлоатационния срок на покритието. Нанасянето на боя с дебелина по-голяма от необходимата води, не само до повишаване на разходите и значително увеличаване на времето за изсъхване, но също може да причини разрушаване на покритието по време на изсъхване. Нанасянето на боя с твърде тънък слой води до неефективна защита на метала, лоша покривност, което се отразява на адхезията на лаковобояджийското покритие и води до неговото преждевременно разрушаване. Ето защо лаковобояджийското покритие обикновено е многослойно. Нанася се на предварително подготвената метална повърхност в няколко последователни слоя. Всеки следващ слой се нанася едва след изсъхването на по-долния слой.

Производителите са разработили разнообразни съвременни системи от антикорозионни покрития. Последните 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-не изискващи особена подготовка на повърхността, едно- и двукомпонентни системи от покрития на водна основа. По-малкият разход на материал и възможността за получаване на по-дебело покритие, обезпечава сигурна антикорозионна защита. Лаковобояджийските материали на основата на епоксидни, полиуретанови и модифицирани смоли, намират все по-широко приложение в антикорозионната практика. Тези материали образуват покрития с много добра адхезия към металните конструкции. Характеризират се с висока твърдост, водо- и атмосфероустойчивост. Преди употреба епоксидните бои се смесват в подходящо съотношение с втвърдител, при което покритието се втвърдява в резултат на реакцията на поликондензация между смолата и втвърдителя. Първият слой на покритието - грундирането, който се нанася на предварително подготвената метална повърхност съгласно с ISO 8501-1, е особено важен. Той обезпечава адхезията на покритието с металната основа и със следващите слоеве, т.е е основната антикорозионна защита. За постигането є в състава на грунда се въвеждат пигменти пасиватори или протекторно действащи метални прахове. Върху първия грундов слой се нанася втори слой грунд или горните 2-3 слоя на боята. Тези слоеве осигуряват крайната дебелина на покритието, както и някои специални свойства - химична устойчивост, износоустойчивост, термоустойчивост и др. Например една такава система е двукомпонентен епоксиден грунд с високо съдържание на пълнители, двукомпонентно междинно епоксидно покритие с високо съдържание на ферослюди, повърхностно полиуретаново покритие с ферослюди. В тези продукти процентното съдържание на разтворители и произхождащи от тях летливи органични съединения не надвишава 35%. Във връзка с все по-строгото екологично законодателство в Европа и целия свят, популярността на екологично чистите антикорозионни покрития на водна основа, расте. Дълготрайността на защитните бояджийски системи се изразява в очаквания срок на годност на защитната система до първия ремонт. Определенията за дълготрайност на лаково-бояджийските системи и границите на дълготрайност са дадени в ISO 12944-1.

Метални покрития
Металните покрития намират широко приложение в антикорозионната практика. Тези покрития не само защитават от корозия, но и придават на повърхността редица ценни физико-химични свойства-твърдост, износоустойчивост, електропроводимост, запояемост, добър външен вид и т.н. В зависимост от полярността на покритието по отношение на защитавания метал, металните покрития се разделят на две групи-катодни и анодни. Катодните покрития имат при дадените условия по-положителен, а анодните по отрицателен потенциал в сравнение с потенциала на основния метал. Например, анодни по отношение на въглеродните стомани са цинковите покрития. Сред методите на метализация най-голямо приложение имат фабричните-горещо поцинковане, галванично поцинковане, термодифузионно поцинковане.

При горещото поцинковане на метални конструкции от въглеродна стомана е необходимо внимателно да се подготви повърхността-почистване от оксиди, обработване с пясъкоструене. Готовият продукт се спуска във вана с разтопен цинк. Заготовката се завърта по време на втвърдяване на тънък слой цинк. Получава се перфектно равна безпореста цинкова повърхност с ненадмината степен на защита от корозия. При нея протича свободен обмен на електрони между основния метал-катода и нанесения върху него слой от цинк-анода. Защитната функция на покритието се обяснява с протичане на електрохимична реакция, в резултат на която 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 и поставя ограничения в размерите.

Галваничното поцинковане на метални конструкции може да бъдат причислено към най-продължителните по време, процеси. Този метод се основава на електролизното отлагане на метални слоеве върху токопроводяща основа от електролит съдържащ йоните на отлагания метал. Първоначално стоманената конструкция се поставя в галваничната вана с електролит. Към детайла от въглеродна стомана(катод) е закрепен електрически кабел свързан с отрицателния полюс на източника на постоянен ток. Вторият кабел е фиксиран към цинков детайл(анод), и е свързан с положителния полюс на източника за постоянен ток. Необходимото напрежение за провеждане на електролизата е в границите 2-15V. Поради дифузия в металите, цинковите йони напускат повърхността на цинковата заготовка и се отлагат върху стоманата. В този случай се получава много тънък слой цинк, който има молекулна връзка с металната повърхност. Галваничното поцинковане на метални конструкции прави възможно металната конструкция да не корозира неограничено време. Това е най-разпространеният метод за нанасяне на метални покрития.

Термoдифузионнoто поцинковане е също надеждна защита на конструкциите. И това е най-сложният процес по отношение на физиката. Стоманената конструкция се нагрява в пещ при температура от 290°С до 450°С, където към нея се подава цинков прах под налягане. Молекулите на цинка се разтопяват и проникват дори в дебелината на метала. Получава се не просто защитен филм от друг метал, а вид сплав, която защитава от корозия металните конструкции за неограничено време. Такова антикорозионно третиране се счита за най-ефективно. Металните конструкции, обработени по този метод, спокойно издържат на най-агресивните среди като огън, морска вода. Единственият недостатък на процеса е, че той изисква специално оборудване.

Всеки от избраните методи за защита на металните конструкции е препоръчителен само при правилно използване и рационалност на финансовите инвестиции.

Антикорозионна защита на стоманени мостове
Съвременният мост е сложна конструкция, която изисква огромни инвестиции за изграждането и поддръжката му в рамките на експлоатационните стандарти. Антикорозионната защита на стоманената конструкция на мост, е един от съществените етапи на работа по време на неговото изграждане и ремонт. Металните конструкции на мостовете се характеризират с електрохимична корозия, при която на повърхността на корозиращия метал се образуват анодни и катодни участъци. Под въздействие на влагата, на която са изложени елементите на металната конструкция, възниква електрическа връзка между участъците на анода и катода. Ако има външна причина във вид на блуждаещи токове, корозията обикновено се засилва.

При оценяване на техническото състояние на мостовите конструкции, засегнати от корозия, на първо място е необходимо да се определи вида на корозията. Защитата на металните мостови конструкции с отвори, се осъществява с лаковобояджийски или с комбинирани метализационно-лаковобояджийски покрития. Редица повърхности на мостови метални конструкции, поради тяхното местоположение, неизбежно изпитват повишено корозионно натоварване. За дългосрочна и надеждна защита на тези участъци от корозия, е препоръчително да се използват комбинирани покрития получени чрез метализация с последващо нанасяне на бои. По този начин значително се удължава срокът на антикорозионната защита на металните конструкции - до 30 и повече години.

Влияние на конструкцията върху експлоатационния живот на съоръжението
Проектът на конструкцията може да повлияе силно върху продължителността на експлоатационния живот на всеки защитен слой, който се нанася върху нея. Старите стоманени мостове, които са проектирани с много малки конструкционни компоненти и скрепителни елементи като скоби и нитове, се предпазват много по-трудно в сравнение с модерните проекти с големи и гладки повърхности.

Свързването на отделните конструктивни елементи на моста (артикулацията) също оказва влияние върху продължителността на експлоатационния му живот, тъй като пропускащите вода места, които най-често са местата на връзка на платната на моста, обикновено са в основата на корозионните проблеми. В идеалния случай, компенсационните връзки трябва да се избягват чрез използване на непрекъсната и цялостна конструкция. В случай, че компенсационните връзки са неизбежни, те трябва да се разполагат далеч от краищата на трегерите (носещите греди) и трябва да се осигури надеждна неметална дренажна система, за да може оттичащото се водно количество да се отвежда далеч от стоманената конструкция.

Достъпът до всички повърхности е много важен, за да се положи както първоначалното покритие, така и по-нататъшното му поддържане и подмяна. По възможност, трябва да се избягват тесни пролуки, труднодостъпни ъгли и скрити повърхности. Също така, луфтовете между свързващите части на съединенията и градусът на вътрешния ъгъл на скосените напречни усилващи елементи трябва да позволяват достъп за полагане на покритие и преглед.

По възможност трябва да се избягват детайли, които могат да улавят и задържат влага и отпадъци.

Трябва да се предвиди подходящо оттичане и проветрение, така че стоманата да остава суха, т.е. да се минимизира "времето във влажност". Трябва да се избягват близко разположени греди и оттичането от пътното платно трябва да се извежда далеч от стоманената повърхност. Освен това, се препоръчва използване на широки конзоли.