Kā nodrošināt tilta tērauda konstrukcijas ilgstošu izturību jūras vides apstākļos

Jūras korozivitātes izpratne: kāpēc tiltu tērauds saskaras ar ārkārtīgu degradāciju C5M vides apstākļos

Sāls aerosols, viļņu apskalošana un mitruma svārstības — trīs dominējošie korozijas paātrinātāji tiltu apakškonstrukcijām

Tilta apakškonstrukcijas, kas atrodas pie krastlīnijām, saskaras ar trim galvenajām korozijas problēmām, kas darbojas vienlaikus. Pirmkārt, gaisā esošais sāls nogulsnējas uz metāla virsmām un izraisa elektroķīmiskās reakcijas, par kurām mums visiem ir zināms. Otrkārt, regulārās plūdmaiņu izraisītās pārplūdes faktiski veido tā saucamās skābekļa koncentrācijas diferenciālās elementu (oxygen differential cells), kas noved pie nevēlamām rievām tēraudā. Un neaizmirstsim arī par pastāvīgi augstajiem mitruma līmeņiem — virs 85 % relatīvā mitruma, — kas praktiski visu laiku uztur tievu elektrolīta kārtiņu uz visām virsmām. Šī kombinācija nozīmē, ka korozija notiek 5 līdz pat 10 reizes ātrāk nekā iekšzemes apstākļos. Gadu ilgstoši jūras vides izmēģinājumi ir vienmērīgi apstiprinājuši šo tendenci, ievērojot standarta ISO 9223 norādījumus materiālu testēšanai agresīvās vides apstākļos.

ISO 9223 C5M klasifikācijas skaidrojums: 200 g/m²·a hlorīdu nogulsnēšanās kā kritiska tilta eksponēšanas zonu atsauces vērtība

Saskaņā ar ISO 9223 standartu jūras korozijas intensitāte ir atkarīga no sāls saturošā gaisa nogulsnēšanās daudzuma laika gaitā. Kategorija C5M norāda visgrūtākos iespējamos apstākļus. Kad nogulsnēšanās ātrums pārsniedz 200 gramus uz kvadrātmetru gadā — kas parasti notiek tieši tajās vietās, kur viļņi saduras ar būvēm, — tad tiltiem, kas atrodas šļakatu un plūdmaiņu zonās, radītās problēmas kļūst nopietnas. Neaizsargāta tērauda virsma katru gadu zaudē 50–80 mikrometrus tikai no korozijas. Šāda nodiluma veids nav vienkārši neērts — tas patiesībā apdraud visu konstrukciju. Tāpēc piemērotas korozijas aizsardzības sistēmas nav tikai vēlamas — tās ir absolūti nepieciešamas, lai šīs svarīgās infrastruktūras daļas varētu kalpot paredzēto kalpošanas laiku.

Anti-korozijas pārklājumu sistēmu optimizācija tiltu tēraudam jūras apstākļos

Vairāku slāņu sistēmu darbība: epoksīds–poliuretāns pret cinkbagātu grunti–epoksīdu ilgstošas C5M iedarbības apstākļos

Kad runa ir par pārklājumiem jūras tiltiem, uzmanībai jāpievērš gan to pretestība elektroķīmiskajām reakcijām, gan spēja darboties kā barjera pret koroziju. Laukuma testi ir parādījuši, ka cinkbagātu gruntējumu kombinācija ar epoksīda augšējiem pārklājumiem darbojas labāk nekā tradicionālās epoksīda-polimēru sistēmas cietsūtīgos piekrastes apstākļos, kas klasificēti kā C5M. Pēc aptuveni desmit gadu ilgstošas ekspluatācijas reālos jūras apstākļos šīs cinka bāzes sistēmas saskaņā ar paātrināto testēšanas protokolu datiem, kas līdzīgi ISO 12944-9 standartiem, samazina zem pārklājuma notiekošo koroziju aptuveni par 70–75%. Šīs efektivitātes iemesls slēpjas cinka darbībā kā upurējamā metāla. Pat ja aizsargkārtā veidojas nelielas plaisas vai ir nepilnīgas seguma vietas (kas ir tipiskas problēmas šādos prasīgajos apstākļos), cinks turpina nodrošināt katodisko aizsardzību. Tas kļūst īpaši svarīgi tajās vietās, kur sāls nogulsnes uzkrājas ar ātrumu, kas pārsniedz 200 gramiem uz kvadrātmetru gadā.

Mitētās mitruma ietekmē urētānu un augstcinka gruntis — pārāka saķeres saglabāšana vairāk nekā 85 % RH apstākļos šļakatu un tidālo tiltu zonās

Pārklājuma problēmas rodas pastāvīgi vietās, kur ir pastāvīgs mitrums, īpaši tad, ja mitruma līmenis paliek virs 85%. Galvenā problēma, ko mēs redzam? Saķeres zudums, kas izraisa pārklājumu sabrukšanu daudz agrāk, nekā tam vajadzētu notikt. Mitruma reakcijā cietējošie uretāni testos ir parādījuši ļoti labus rezultātus. Pēc ASTM D4585 standarta noteiktas atkārtotas iegremdēšanas tie saglabā aptuveni 94% saķeri. Tas ir diezgan ievērojami salīdzinājumā ar parastajiem epoksīda pārklājumiem, kuri saglabā saķeri tikai aptuveni 78%. Kāpēc šie uretāni darbojas tik labi? Tie reaģē ar gaisā esošo mitrumu, veidojot stiprus savienojumus un elastīgus plēves kārtas, kas spēj izturēt gan temperatūras svārstības, gan pastāvīgo kustību, ko izraisa viļņi, ietekmējot tērauda konstrukcijas. Kad šie pārklājumi tiek kombinēti ar augstas kvalitātes cinka gruntēm, kurās cinka putekļu saturs sver vairāk nekā 92%, šīs sistēmas veido barjeru pret hlorīdu joniem. Testi rāda, ka tās var izturēt hlorīdu iekļūšanas ātrumu līdz pat 5 mg uz kvadrātcentimetru gadā. Šāda aizsardzība atbilst lielākās daļas piejūras vides prasībām, kurās pastāv ikdienas viļņu cikli un ietekme no sāļa gaisa.

Virsmas sagatavošanas standarti: Kāpēc tiltu pārklājumu ilgmūžībai ir obligāta SP10 smilšstrādāšana

Kad runa ir par pārklājumiem konstrukcijās, kas atrodas sālsūdens apgabalos, virsmu sagatavošana pirms krāsošanas patiešām nosaka, cik ilgi šie pārklājumi kalpos. Tiltnes, kas atrodas zem ūdens vai pastāvīgi tiek apšļakstītas ar jūras ūdeni (ko mēs saucam par C5M apstākļiem), prasa īpašu standartu, ko sauc par SP10 vai gandrīz balto metāla smilšstrādāšanu, un šis standarts šodien kļuvis gandrīz obligāts. Šis process atstāj uz metāla virsmas ne vairāk kā aptuveni 5 % vecās vielas un veido nelielus kalnus un ielejas tēraudā, kas ļauj krāsai labāk pieķerties. Mēs runājam par enkura profiliem, kuru dziļums ir aptuveni 2–3 tūkstošdaļas collas, un tas lieliski darbojas kopā ar tiem izturīgajiem epoksīdzincpārklājumiem, kurus šodien visi vēlas. Tomēr daudzas problēmas rodas tad, kad cilvēki izlaiž pareizu sagatavošanu. Nozaru speciālisti norāda, ka aptuveni astoņi no desmit pārklājumu bojājumiem patiesībā sākas tāpēc, ka kāds pirmais nav pareizi notīrījis virsmu. Rūpnīcas rūsa, sāls nogulsnes vai rūsas plankumi paliek paslēpti zem jaunajiem krāsas slāņiem un galu galā izraisa nopietnas problēmas nākotnē.

Zemākas sagatavošanas prasības drastiski pasliktina veiktspēju:

Ņemot vērā to, ka pilnīga pārklājuma nomainīšana jūras tiltu apakškonstrukcijās pārsniedz 300 USD/m², SP10 atbilstības papildu izmaksu pieaugums nodrošina eksponenciālu ROI, pagarinot apkopes ciklus un saglabājot konstrukcijas uzticamību.

Korozijai izturīgu tēraudu alternatīvu novērtējums jūras tiltu lietojumam

Vēja izturīgā tērauda (Corten) ierobežojumi: nestabila patīnas veidošanās un paātrināta caurumu veidošanās hlorīdu piesātinātās tiltu vides apstākļos

Vēja izturīgā tērauda darbība balstās uz tā spēju laika gaitā veidot stabila rūsas kārtu, taču šis process tiek traucēts, kad materiāls ir pakļauts jūras ūdens vidi. Kad aplūkojam teritorijas, kurās sāls nogulsnes sasniedz vai pārsniedz ISO 9223 C5M standarta vērtību — aptuveni 200 grami uz kvadrātmetru gadā, — ar Corten tēraudu notiek noteikti izmaiņas. Aizsargkārtas oksīda slānis kļūst nevienmērīgs un caurumains, iekšā ieslēdzot sāls daļiņas. Tā rezultātā rodas daudz ātrāka punktveida korozija salīdzinājumā ar to, kas parasti novērojama iekšzemes lietojumos — varbūt trīs līdz piecas reizes ātrāk. Šīs problēmas īpaši acīmredzamas kritiskajās vietās, piemēram, metinājuma savienojumos, skrūvēs un cieši pieguļošajās detaļu starpplākšņu telpās. Šo iemeslu dēļ inženieri parasti izvairās no vēja izturīgā tērauda izmantošanas kā galvenās strukturālās atbalsta konstrukcijas tiltos, kas atrodas tuvu piekrastei.

Sakausējumu uzlabots tērauds: Cr–Cu–Ni–P sinerģijas robežvērtības saskaņā ar ISO 14713-2:2020 uzticamai pasivācijai jūras tiltu augškonstrukcijās

Sakausējumu uzlabotas tērauda sakausējumi, kas izstrādāti atbilstoši ISO 14713-2:2020 sastāva robežvērtībām, nodrošina prognozējamu un ilgstošu pasīvākošanu jūras vides apstākļos. Hroma, vara, niķeļa un fosfora sinerģiskā kombinācija ļauj veidot izturīgu, pašreģenerējošu oksīda plēvi — pat chlorīdu ietekmē:

Tērauda sakausējumi, kas atbilst šīm standartiem, korozijas ātrumu tidālzonās (kad tie ir pilnīgi iegremdēti ūdenī) samazina līdz mazāk nekā 0,1 mm gadā, kas ir daudz labāk nekā parastajam oglekļa tēraudam. To, kas patiešām izceļ šos materiālus, ir to spēja veidot jaunas aizsargkārtas tieši savienojumu vietās un apgabalos, kuros darbojas spriegumi. Šī īpašība kļūst ārkārtīgi svarīga tiltiem pāri ūdenim, kur korozija bieži koncentrējas un rada problēmas. Jūras tiltu augškonstrukcijas ir nopietni apdraudētas ar šāda veida lokalizēto bojājumu, jo tas tieši ietekmē konstrukcijas kalpošanas ilgumu līdz pirmajai remontdarbu nepieciešamībai un samazina projektētās konstrukcijas vispārējo drošības rezervi.