Jak zapewnić długotrwałą trwałość stalowej konstrukcji mostu w środowiskach morskich

Zrozumienie korozyjności morskiej: dlaczego stal mostowa ulega skrajnemu zniszczeniu w środowiskach C5M

Aerozol solny, zanurzenie pływowe i cykliczna zmiana wilgotności — trzy dominujące czynniki przyspieszające korozję podkonstrukcji mostów

Podkonstrukcje mostów położonych wzdłuż linii brzegowej są narażone na trzy główne wyzwania związane z korozją, które działają jednocześnie. Po pierwsze, sól zawarta w powietrzu osadza się na powierzchniach metalowych i inicjuje znane nam wszystkim reakcje elektrochemiczne. Następnie regularne zalanie spowodowane przypływami tworzy tzw. ogniwa różnicowe stężenia tlenu, co prowadzi do uciążliwych wgłębień w stali. Nie należy także zapominać o stałym poziomie wilgotności powietrza przekraczającym 85% wilgotności względnej, który utrzymuje na wszystkich powierzchniach cienką warstwę elektrolitu przez cały czas. Ta kombinacja powoduje, że korozja przebiega od 5 do nawet 10 razy szybciej niż w obszarach śródlądowych. Wieloletnie badania ekspozycyjne w środowisku morskim jednoznacznie potwierdzają ten wzór, zgodnie ze standardowymi wytycznymi ISO 9223 dotyczącymi testowania materiałów w surowych warunkach.

Wyjaśnienie klasyfikacji ISO 9223 C5M: 200 g/m²·a jako wartość odniesienia dla osadzania chlorków w krytycznych strefach ekspozycji mostów

Zgodnie ze standardem ISO 9223 stopień nasilenia korozji morskiej zależy od ilości soli osadzającej się w powietrzu w czasie. Kategoria C5M oznacza najbardziej ekstremalne warunki. Gdy stwierdzamy tempo osadzania przekraczające 200 gramów na metr kwadratowy rocznie – co zwykle ma miejsce tuż przy miejscach, gdzie fale uderzają w konstrukcje – zagrożenie dla mostów w strefach chlupowych i pływowych staje się poważne. Niechroniona stal traci w wyniku samej korozji od 50 do 80 mikrometrów rocznie. Taki rodzaj zużycia nie jest jedynie uciążliwy – zagraża on całkowicie stabilności całej konstrukcji. Dlatego też odpowiednie systemy ochrony przed korozją nie są tylko pożądane – są one absolutnie niezbędne, aby te ważne elementy infrastruktury mogły funkcjonować przez cały zaplanowany okres użytkowania.

Optymalizacja systemów powłok antykorozyjnych dla stali mostowej w warunkach morskich

Wydajność wielowarstwowych systemów: epoksydowo-polipuranowe vs. grunty cynkowe–epoksydowe przy długotrwałej ekspozycji w kategorii C5M

W przypadku powłok stosowanych na mostach morskich kluczowe znaczenie ma zarówno ich odporność na reakcje elektrochemiczne, jak i zdolność do działania jako bariery przeciwko korozji. Testy terenowe wykazały, że kombinacje gruntów bogatych w cynk z powłokami nawierzchniowymi na bazie epoksydów działają lepiej niż tradycyjne układy epoksydowo-polipuranowe w surowych środowiskach przybrzeżnych zaklasyfikowanych jako C5M. Po około dziesięciu latach eksploatacji w rzeczywistych warunkach morskich te systemy oparte na cynku zmniejszają korozję podpowłokową o ok. 70–75%, zgodnie z danymi uzyskanymi w przyspieszonych testach zgodnych ze standardem ISO 12944-9. Powodem tej skuteczności jest sposób działania cynku jako metalu poświęceniowego. Nawet w przypadku powstania drobnych pęknięć w warstwie ochronnej lub niedoskonałej pokrycia (typowe problemy występujące w tak wymagających warunkach), cynk nadal zapewnia ochronę katodową. Jest to szczególnie istotne w obszarach, gdzie roczne nagromadzenie osadów soli przekracza 200 gramów na metr kwadratowy.

Uretny utwardzane wilgocią i podkładki o wysokiej zawartości cynku — doskonała retencja przyczepności przy wilgotności względnej powyżej 85% w strefach chlupających i pływowych mostów

Problemy z powłokami występują bardzo często w obszarach o stałej wilgotności, zwłaszcza gdy wilgotność względna utrzymuje się powyżej 85%. Głównym problemem, z jakim się spotykamy, są awarie przyczepności prowadzące do rozpadu powłok znacznie wcześniej niż powinny. Uretny utwardzane wilgocią wykazały bardzo dobre wyniki w testach laboratoryjnych: zachowują one około 94% przyczepności po wielokrotnym zanurzaniu zgodnie ze standardem ASTM D4585. Jest to wynik imponujący w porównaniu do tradycyjnych powłok epoksydowych, które zachowują przyczepność jedynie na poziomie ok. 78%. Dlaczego uretany te działają tak skutecznie? Reagują one z wilgocią obecną w powietrzu, tworząc silne wiązania i elastyczne warstwy, które wytrzymują zmiany temperatury oraz stałe ruchy spowodowane przypływami wpływające na konstrukcje stalowe. W połączeniu z wysokiej jakości podkładami cynkowymi zawierającymi ponad 92% pyłu cynkowego wagowo, takie systemy tworzą barierę przeciw jonom chlorkowym. Badania wykazały, że mogą one zapobiegać przenikaniu jonów chlorkowych z szybkością nawet do 5 mg na centymetr kwadratowy rocznie. Taki poziom ochrony odpowiada wymogom większości środowisk nadmorskich, charakteryzujących się codziennymi cyklami przypływu i odpływu oraz ekspozycją na powietrze zawierające sole morskie.

Standardy przygotowania powierzchni: Dlaczego oczyszczanie strumieniowe SP10 jest nieodzowne dla trwałości powłok mostowych

Gdy chodzi o powłoki na konstrukcjach w obszarach morskich, jakość przygotowania powierzchni przed malowaniem ma decydujące znaczenie dla trwałości tych powłok. W przypadku mostów zanurzonych pod wodą lub stale spluwanych wodą morską (tzw. warunki C5M) obowiązuje określona norma – SP10, czyli czyszczenie piaskowe niemal do białego metalu – która obecnie stała się praktycznie obowiązkowa. Proces ten pozostawia na powierzchni metalu nie więcej niż około 5 % pozostałości starszej powłoki i tworzy mikroskopijne nierówności (tzw. profil kotwiczny) na stalowej powierzchni, które zapewniają lepsze przyczepienie farby. Mówimy tu o profilu kotwicznym o głębokości ok. 2–3 tysięcznych cala, który doskonale sprawdza się w połączeniu z wytrzymałymi współczesnymi powłokami epoksydowo-cynkowymi. Liczne problemy powstają jednak wtedy, gdy pomija się odpowiednie przygotowanie powierzchni. Specjaliści branżowi stwierdzają, że aż osiem na dziesięć przypadków uszkodzeń powłok ma swoje źródło właśnie w niewłaściwym oczyszczaniu powierzchni przed naniesieniem farby. Pozostałości tzw. skali hutniczej z fabryki, osady soli lub plamy rdzy pozostają ukryte pod nowymi warstwami farby i w dalszej kolejności powodują poważne problemy.

Niższe standardy przygotowania powierzchni drastycznie pogarszają wydajność:

Ponieważ pełna wymiana powłoki na podkonstrukcjach mostów morskich przekracza kwotę 300 USD/m², niewielka nadwyżka kosztów związana z zastosowaniem systemu spełniającego wymagania SP10 zapewnia wykładniczy zwrot z inwestycji dzięki wydłużeniu cykli konserwacji i zachowaniu niezawodności konstrukcyjnej.

Ocena alternatywnych gatunków stali odpornych na korozję do zastosowań w mostach morskich

Ograniczenia stali przeznaczonej do eksploatacji na otwartym powietrzu (stali Corten): niestabilne tworzenie się patyny oraz przyspieszone wytwarzanie się punktowych ubytków w środowiskach mostowych nasycanych chlorkami

Stal odporna na korozję atmosferyczną działa dzięki powstawaniu z czasem stabilnej warstwy rdzy, jednak cały ten proces ulega zakłóceniu w środowiskach morskich. W obszarach, w których ilość osadzających się soli przekracza lub zbliża się do poziomu określonego w normie ISO 9223 C5M (około 200 gramów na metr kwadratowy rocznie), występują problemy z użyciem stali Corten. Ochronna warstwa tlenkowa staje się nieregularna i perforowana, co powoduje utrzymywanie się cząsteczek soli w jej wnętrzu. W konsekwencji dochodzi do znacznie szybszej korozji punktowej – nawet trzy do pięciu razy szybszej niż w typowych zastosowaniach wewnętrznych. Problemy te szczególnie wyraźnie ujawniają się w miejscach krytycznych, takich jak spoiny, śruby oraz ciasne przestrzenie między elementami konstrukcyjnymi. Z powodu tych zagrożeń inżynierowie zazwyczaj unikają stosowania stali odpornych na korozję atmosferyczną jako głównego materiału nośnego w mostach położonych w pobliżu linii brzegowej.

Stale wzbogacone stopowo: progi synergii Cr–Cu–Ni–P zgodnie z normą ISO 14713-2:2020 dla niezawodnej pasywacji nadbudowy mostów morskich

Stale wzbogacone stopami, zaprojektowane tak, aby spełniać progi składu określone w normie ISO 14713-2:2020, zapewniają przewidywalne i długotrwałe pasywowanie w środowiskach morskich. Synergiczna kombinacja chromu, miedzi, niklu i fosforu umożliwia tworzenie odpornych, samoregenerujących się warstw tlenkowych – nawet pod wpływem stresu chlorkowego:

Stopy stalowe spełniające te normy utrzymują tempo korozji poniżej 0,1 mm na rok podczas zanurzenia w strefach przypływowych, co jest znacznie lepsze niż w przypadku zwykłej stali węglowej. To, co szczególnie wyróżnia te materiały, to ich zdolność do tworzenia nowych warstw ochronnych dokładnie w punktach połączeń oraz w obszarach poddawanych naprężeniom. Ta cecha nabiera krytycznego znaczenia w przypadku mostów nad wodą, gdzie korozja ma tendencję do koncentracji i powodowania problemów. Nadbudowy mostów morskich narażone są na poważne zagrożenia wynikające z tego rodzaju uszkodzeń lokalnych, ponieważ bezpośrednio wpływają one na czas trwałości konstrukcji przed koniecznością napraw oraz kompromitują ogólny zapas bezpieczeństwa zaprojektowany w konstrukcji.