Powłoki metalowe i metalowo-malarskie

NOWOCZESNE HALE 1/12
| ZABEZPIECZENIA ANTYKOROZYJNE
prof. dr inż. Witold Milewski
Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa
Powłoki metalowe i metalowo-malarskie
DO OCHRONY KONSTRUKCJI STALOWYCH PRZED KOROZJĄ. CZ. I.
w
Względy
ekonomiczne
wymagają, by
konstrukcje stalowe
przewidziane
do wieloletniej
eksploatacji były
skutecznie chronione
przed korozją.
Jakie metody
są najbardziej
fot. Thinkstock
optymalne?
92
B
ezpieczeństwo użytkowania budowli i jej trwałość zależą od decyzji podejmowanych podczas
całego procesu jej powstawania i eksploatacji. Obiekt powinien być projektowany, wykonany i użytkowany zgodnie
z obowiązującym prawem oraz wiedzą,
jaką muszą posiadać wszyscy uczestnicy procesu budowlanego. Wiedza ta nie
może być ograniczona jedynie do umiejętności i zasad konstruowania, ale musi bezwzględnie obejmować wszystkie
zjawiska i zagrożenia, jakie występują
w czasie eksploatacji obiektu.
O bezpieczeństwie użytkowania każdego obiektu decydują m.in. modyfikacje
jego właściwości mechanicznych, spowodowane zmianami wytrzymałości
poszczególnych elementów na skutek
zmęczenia i korozji. Korozja, mimo
swojej powszechności, jest zjawiskiem
zupełnie niezrozumianym, a jego niszczycielskiej siły nie docenia większość
inwestorów i projektantów. Lekceważenie korozji i jej skutków grozi możliwością wystąpienia katastrof budowlanych,
a co za tym idzie – może być bezpośrednią przyczyną wielu tragedii.
Występowanie korozji pociąga za sobą
określone skutki ekonomiczne, których
obliczenie powoduje wiele trudności.
Wynikają one głównie z powszechności tego zjawiska, różnorodności jego
rodzajów, niedostatków ewidencjonowania kosztów i strat w przemyśle
oraz gospodarce, niewymierności wielu
rodzajów szkód, jednoczesności działania korozji i innych czynników powodujących straty itd. Ocena wielkości
ekonomicznych skutków korozji opiera
się więc z konieczności na badaniach
szacunkowych.
Nakłady na zwalczanie lub zapobieganie
korozji obejmują koszty materiałów, robocizny i urządzeń, zabezpieczeń i ochron
przeciwkorozyjnych, koszty konserwacji
obiektów i zabezpieczeń, a wreszcie nakłady na badania i prace rozwojowe.
Przykładowo szacuje się, że ekonomiczne skutki korozji w USA wynoszą
ok. 4-6% PKB. Jak wynika z polskich
opracowań, ze względu na wieloletnie
zaniedbania, zarówno w nakładach na
ochronę przed korozją, jak i ochronę
środowiska, straty korozyjne mogą dochodzić do 10% PKB.
Stosowane jako podstawowy materiał konstrukcyjny stopy żelaza, a ostatnio stopy
glinu, trzeba chronić przed korozją, przed
niszczącym działaniem środowiska.
Ogólnie ochronę przed korozją konstrukcji można podzielić na:
• zabezpieczenie czynne, polegające na odpowiednim kształtowaniu
konstrukcji obiektu, mającym na celu
maksymalne ograniczenie oddziaływania zewnętrznych i wewnętrznych
czynników korozyjnych na konstrukcję i jej poszczególne części oraz na zapewnieniu odpowiednich warunków
utrzymania konstrukcji, a zwłaszcza
zachowywaniu wszystkich elementów konstrukcji w czystości;
• zabezpieczenie bierne, polegające na
stosowaniu stali lub stopów o podwyższonej odporności na korozję
oraz stosowaniu powłok ochronnych,
konwersyjnych, malarskich, metalowych i metalowo-malarskich oraz
izolacyjnych.
Na minimalizowanie strat korozyjnych ma wpływ nie tylko odpowiednie
ukształtowanie konstrukcji, ale i prawidłowy dobór, wykonanie oraz eksploatacja powłok ochronnych. Metoda ta jest
obecnie najszerzej stosowana, przy czym
zasadnicza dyskusja toczy się wokół pytania, jaki należy wybierać zestaw powłok.
Podstawowym wymaganiem stawianym
dobrej ochronie przed korozją jest spełnienie przez nią określonych zadań przy
możliwie najniższych kosztach. Zaliczają się do nich:
– wystarczająca trwałość wybranego
systemu ochronnego w warunkach
eksploatacji,
ZABEZPIECZENIA ANTYKOROZYJNE | NOWOCZESNE HALE 1/12
– wybrany system ochronny musi być dopasowany do żądanego
czasu użytkowania przy możliwie
małych kosztach konserwacji lub
renowacji,
– system ten musi być wykonany zgodnie z wymaganiami jakościowymi
przy możliwie najmniejszym zagrożeniu dla środowiska.
O kosztach budowy i kosztach eksploatacji obiektu decydują zatem
wszyscy uczestnicy procesu powstawania obiektu oraz jego użytkownik,
mający zasadniczy wpływ na koszty
jego eksploatacji. Uczestnikami tymi
są: inwestor, projektant, wykonawca,
użytkownik.
Zakres działań każdego z nich jest
inny, lecz z punktu widzenia ochrony
przed korozją wszyscy powinni dążyć
do zapewnienia odpowiedniej trwałości
obiektu i ograniczenia kosztów zarówno
budowy, jak i eksploatacji.
Do zadań inwestora należą:
• określenie wymagań, jakie ma spełniać projektowany obiekt,
• określenie przewidywanego okresu
użytkowania.
Do zadań projektanta należą:
• dokładne ustalenie agresywności korozyjnej środowiska, w którym ma być
użytkowany projektowany obiekt,
• wybranie systemu ochronnego
uwzględniającego agresywność środowiska, zakładaną trwałość obiektu
i częstotliwość konserwacji,
• ukształtowanie konstrukcji umożliwiające prawidłowe nałożenie systemu ochronnego,
• zaplanowanie włączenia wybranego
systemu ochronnego w proces powstawania obiektu, zapewniającego
minimalizację kosztów przy jednoczesnej wysokiej jakości systemu,
• opracowanie szczegółowej technologii wytworzenia wybranego systemu
ochronnego.
Do zadań wykonawcy należy:
• wytworzenie systemu ochronnego
zgodnie z projektem i obowiązującymi w tym zakresie przepisami
i normami przy pomocy personelu
o wymaganych kwalifikacjach.
Do zadań użytkownika należą:
• zapewnienie odpowiednich środków
na zgodne z przepisami przeglądy
oraz konieczne konserwacje i naprawy systemu ochronnego,
• wykonywanie konserwacji i napraw.
Jak widać, o kosztach budowy, a następnie eksploatacji obiektu decyduje praca
– a najlepsza byłaby współpraca – wielu
ludzi uczestniczących w procesie jego
powstawania. Jednakże efekt działania skupia się na kosztach eksploatacji obiektu, zależnych od jakości pracy
wszystkich poprzednich uczestników
procesu oraz na wydatkach ponoszonych już wyłącznie przez użytkownika
obiektu. Zrozumiałe jest, że na koszty
eksploatacji i utrzymania obiektu w odpowiednim stanie, w tym m.in. koszty
strat korozyjnych, mają wpływ prawidłowy dobór, wykonanie i eksploatacja
systemu ochronnego.
Wieloletnie doświadczenie i wyniki prac
badawczych jednoznacznie potwierdzają,
że najbardziej trwałą ochronę przed korozją zapewniają powłoki metalowo-malarskie. W budownictwie mostowym i drogowym, przewidywanym do wieloletniej
eksploatacji, jedną z najbardziej istotnych
spraw jest zapewnienie długoletniej
ochrony konstrukcji. Dlatego w ostatnim
reklama
93
NOWOCZESNE HALE 1/12
| ZABEZPIECZENIA ANTYKOROZYJNE
Rodzaj
powłoki
Wykonanej
zgodnie
z normą
Grubość
minimalna
[μm]
Zanurzeniowa
PN-EN ISO 1461
85
140
200
Kategoria agresywności środowiska wg ISO 9223
Trwałość min./maks lat
Oznaczenie trwałości
C4
C5
C3
40/>100
67/>100
95/>100
VH
VH
VH
20/40
33/67
48/95
VH
VH
VH
10/20
17/33
24/48
H
VH
VH
CX
3/10
6/17
8/24
M
H
H
Tab. 1. Trwałość powłok cynkowych zanurzeniowych (ogniowych) w zależności od ich grubości i kategorii agresywności środowiska (wg nowej wersji EN ISO 14713-1) [2]
M – trwałość średnia 5 < 10 lat; H – trwałość wysoka 10 < 20 lat; VH – trwałość b. wysoka ≥ 20 lat
15-leciu obserwuje się intensywny rozwój
badań, mających na celu wykorzystanie
niewątpliwej zalety powłoki metalowej,
np. cynkowej, w postaci jej wysokiej odporności korozyjnej i jej ochraniających
właściwości elektrochemicznych, łącznie
z coraz lepszymi właściwościami ochronnymi powłok malarskich. Razem pozwala
to na opracowanie systemu ochronnego
bardziej ekonomicznego, wykorzystującego synergizm działania obu zastosowanych powłok.
Dotychczas stosowane najszerzej różnego rodzaju zestawy powłok malarskich są wprawdzie zwykle najtańszą
metodą ochronną, jednakże ze względu
na mniejszą trwałość wymagają częstszych zabiegów renowacyjnych, są zatem droższe w eksploatacji.
Przy obecnym stanie techniki nakładania powłok metalowych na konstrukcje
stalowe, z różnych metod nakładania
takich powłok, możemy praktycznie
wykorzystać tylko dwie:
– metodę zanurzeniową (ogniową), przy
czym przy pokrywaniu indywidualnym możemy dzisiaj nakładać praktycznie tylko cynk lub cynk z niewielkim dodatkiem innych pierwiastków,
takich jak: Al, Ni, Bi, Sn i innych;
– metodę natryskiwania cieplnego,
umożliwiającą nakładanie powłok
na dowolnie duże elementy z całego szeregu materiałów, przy czym
do ochrony przed korozją wykorzystuje się przeważnie Zn, Al i ich stopy.
Zanurzeniowe powłoki cynkowe
Powłoki zanurzeniowe (ogniowe)
pochłaniają 70% cynku zużywanego
na wszystkie powłoki ochronne [1].
Grubość powłoki cynkowej jest podstawowym, chociaż nie jedynym, parametrem determinującym czas ochrony
antykorozyjnej, jednakże powłoki zbyt
grube mogą wykazywać gorszą przyczepność.
94
1
Metoda
Koszt nałożenia powłoki 1
[zł/m2]
Koszty eksploatacji na rok 1
[zł/m2]
Cynkowanie ogniowe
Powłoka malarska
Podkład wysokocynkowy + poliuretan
30
0,99
50
4,95
Tab. 2. Porównanie kosztów cynkowania ogniowego z kosztami malowania [4]
) Koszty przeliczono, przyjmując 1 USD = 3 PLN
Pomimo tego, że cynkowanie zanurzeniowe (ogniowe) jako proces tworzenia
powłoki ochronnej jest znany od ponad
150 lat, liczba wersji technologicznych,
środków stosowanych do operacji jednostkowych, rodzajów urządzeń pokazują, że w dzisiejszych czasach jest to
proces nowoczesny, zoptymalizowany
pod względem ekologicznym, zużycia
energii i materiałów.
Powłoki cynkowe są stosowane w wielu rodzajach produkcji przemysłowej. Według
informacji członków Polskiego Towarzystwa Cynkowniczego (PTC) największymi odbiorcami usług cynkowania ogniowego są: producenci konstrukcji stalowych
– 42%; infrastruktura drogowa – 31%;
budownictwo – 11%; rolnictwo – 10%;
pozostali odbiorcy – 6%.
Dokładna liczba cynkowni zanurzeniowych (ogniowych) w Polsce jest trudna
do określenia, ponieważ budowane są na
bieżąco nowe obiekty. Można szacować,
że jest ich ok. 80. Uwzględniając również
modernizację i rozbudowę dotychczas
istniejących cynkowni, można stwierdzić,
że jest to obecnie nowoczesne zaplecze
technologii cynkowania w skali europejskiej, a jakość cynkowania jest wysoka.
Powłoki cynkowe zanurzeniowe (ogniowe) zapewniają najdłuższą odporność
na korozję atmosferyczną (tab. 1).
Ze względu na wielkość i masę konstrukcji mostowych początek wykorzystania
ogniowych powłok cynkowych miał miejsce dopiero w latach 70. ubiegłego stulecia.
I tak w 1974 r. w Wielkiej Brytanii zastosowano cynkowanie ogniowe do ochrony
przed korozją mostu w Cleveland. Kon-
trole przeprowadzone w latach 1979,
1989 i 1997 potwierdziły, że podczas
25 lat eksploatacji ubyło praktycznie
35 μm powłoki. Z powłoki o wyjściowej
grubości 150 μm w najcieńszym miejscu
pozostało 115 μm. Oznacza to, że przez
co najmniej następne 25 lat powłoka nie
będzie wymagała konserwacji.
W Japonii pierwsze podpory mostowe
o długości 13 m ocynkowano ogniowo w 1963 r. Od roku 1970 nastąpiło
intensywne wykorzystanie tej metody
w budownictwie mostowym. Stwierdzono przy tym, że roczne ubytki powłoki
Zn nie przekroczyły 1,87 μm na rok,
co oznacza trwałość powłoki o grubości
85 μm równo przez 41 lat [3].
W Kanadzie podczas remontu i poszerzania mostu w Toronto w 1969 r. zastosowano trzy technologie:
– trzywarstwową powłokę malarską
z gruntem wysokocynkowym,
– cynkowanie ogniowe nowych części,
a części oryginalne pokrywano powłoką malarską,
– cynkowanie ogniowe nowych części
i natryskiwanie cieplne części oryginalnych – starych.
Po 20 latach eksploatacji w 1989 r. najbardziej trwałe okazało się rozwiązanie
trzecie, które nie wymagało żadnych
uzupełnień. Powłoka malarska musiała
być uzupełniona w 1981 r.
Podobne wyniki odnotowuje się również
w Niemczech i USA. Cynkowanie ogniowe jest nie tylko najbardziej trwałym sposobem zabezpieczenia przed korozją, ale
również najtańszym (tab. 2).

Piśmiennictwo w części II.