Hodnocení ochranných vlastností antikorozních zinkových povlaků po 20 – leté exploataci v důlním prostředí

• Foto

Většina zařízení a konstrukcí využívaných v podzemních důlních dílech je vyrobena z konstrukční oceli obvyklé jakosti. Tento materiál nevykazuje dostatečnou odolnost proti působení důlního prostředí. V důlních podmínkách ocel vyžaduje dodatečné zabezpečení nebo použití více odolného konstrukčního materiálu. Problém nedostačující korozní odolnosti se týká také částí ocelové chodbové TH výztuže.

Požadavky kladené na části chodbové výztuže, obloukové rámy vyrobené z ocelových V profilů, se týkají hlavně jejich pevnosti a dlouhodobé funkčnosti. Avšak postupující procesy koroze v silně agresivním důlním prostředí vedou k jejich rychlejšímu opotřebení a tím pádem i ke snížení pevnosti, a v důsledku ke zkrácení doby exploatace. Ocelové části výztuže obvykle nejsou zabezpečené proti korozi.

V roce 1990 v důlní chodbě černouhelného dolu KWK „Mysłowice-Wesoła” byla instalována experimentální část pozinkované důlní výztuže. Záměrem bylo ověření účinnosti ochrany části chodbové výztuže zinkovými povlaky ve skutečném provozním korozním prostředí. Technologie žárového zinkování důlní výztuže byla podrobně zpracována Slezskou Polytechnikou (Politechnika Śląska) [1]. V rámci tohoto projektu byla pozinkována partie rámových oblouků z V profilů V29 a V25 a další části výztuže: spojka obloukového třmínku důlní ocelové výztuže J25/S, J29/Z, pažnice RZL1, RZL2 a pletivo. Celkem bylo pozinkováno a instalováno v chodbách důlního díla 174 tun oceli.

Provedené korozní zkoušky ve skutečném provozním korozním prostředí se charakterizují dlouhou, dvacetiletou dobou trvání a navíc umožňují nejvíce směrodatným způsobem určit korozní odolnost.

Stav povrchu dílů výztuže
Zkoumaná důlní TH výztuž byla zabudována v překopu jámy „Wacław” KWK „Mysłowice-Wesoła” na důlním patře v hloubce 665 m. Přesné datum zástavby znázorňuje obr. 1. Provedené výzkumy tedy dovolují hodnocení trvanlivosti zinkového povlaku po 20-leté exploataci v důlním prostředí.

Vzhled úseku překopu v jámě „Wacław” na důlním patře v hloubce 665m zabezpečeného pozinkovanou poddajnou výztuží je znázorněn na obr. 2. První postřehy dovolují zjistit, že výztuž je pokryta kamenným prachem a nevykazuje viditelné stopy koroze ocelového podkladu tzv. červené koroze. Bezprostřední srovnání vzhledu výztuží pozinkované a nepozinkované využívaných v podobných podmínkách (obr. 3) dovoluje zjistit pokročilou korozi oceli nechráněné zinkovaným povlakem. Na povrchu nepozinkované výztuže bylo možno pozorovat pokročilý proces koroze projevující se odlupováním celých částí produktů koroze a dokonce výskyt prasklin zkorodované vrchní vrstvy na oblouku výztuže (obr. 4a). Při rozboru vzhledu pozinkovaných dveřejí v místě spojení oblouku V29 a V25 nebyla zpozorována necelistvost pozinkovaného povlaku.

Vzhled spojky obloukového třmínku TH výztuže používané pro spojení oblouků poddajné výztuže je znázorněn na obr. 5. Při srovnání vzhledu dolní objímky spojky důlní ocelové výztuže můžeme zjistit, že nepozinkovaná objímka už ztratila svůj původní tvar a rozměry v důsledku pokročilého procesu koroze (obr. 5a), zatímco pozinkovaná objímka si stále zachovává své rozměry (obr. 5b). Nebyla také zjištěna ztráta celistvosti pozinkovaného povlaku na dolní objímce spojky důlní ocelové výztuže, dokonce v oblasti závitového spoje.

Aplikace zinkového povlaku na povrch částí výztuže zlepšuje charakteristiku proklouznutí poddajných spojů dveřejí důlní výztuže. Na druhou stranu zinkový povlak prodlužuje dobu životnosti výztuže a stejně tak i dobu zajištění dostatečných pevnostních vlastností. Provedená prohlídka dovoluje konstatovat, že v případě použití pozinkované výztuže je možné prodloužení vzdálenosti mezi jednotlivými výztužemi. Dveřeje pozinkované výztuže jsou rozmístěné co 100 cm, kdežto dveřeje nepozinkované výztuže co 75 cm (obr. 6). Ve výztuži byly také použity pozinkované všechny části vyplnění mezi oblouky, tj. pažnice a také pletivo. Na těchto částech je možné zjistit uchování pozinkovaného povlaku, ačkoliv bylo možno zpozorovat nečetné jednotlivé bodové ohniska červené koroze (obr. 7).

Části zkoumané důlní výztuže byly pokryté kamenným prachem. Lokálně byl odstraněn kamenný prach z náhodně vybraných oblouků výztuže. U všech případů bylo možno zjistit výskyt pozinkovaného povlaku s šedým matným vzhledem. Vzhled povrchu oblouku po odstranění kamenného prachu je znázorněn na obr. 8.

Zkoumaná výztuž byla zabudována za účelem provedení komplexních korozních zkoušek ve skutečných provozních korozních podmínkách. V tomtéž místě expozice byly tedy umístěny pozinkované i nepozinkované výztuže. Bylo možné pozorovat dvě varianty rozmístění. V první variantě byly střídavě rozmístěny úseky výztuže pozinkované a nepozinkované. Na obr. 9a je patrná část přechodu z pozinkované výztuže na nepozinkovanou. V druhé variantě části výztuže byly rozmístěny v pásmech. Na jistém úseku chodby byla zabudována polovina částí pozinkovaných a polovina bez povlaku. Na obr. 9b je znázorněn úsek chodby, kde byly zabudovány pozinkované dolní oblouky V29 a nepozinkované horní oblouky V25.

Na tomto základě můžeme konstatovat, že po 20 letech exploatace v týchž podmínkách části nepozinkované výztuže podlehly pokročilému procesu koroze, zatímco na pozinkovaných částech nebyly zjištěny zřetelné stopy koroze ocelového podkladu.

Hodnocení provozních podmínek výztuže v překopu k j ámě „Wacław ”
Trvanlivost pozinkovaného povlaku je podmíněna agresivitou korozního prostředí, v němž je umístěn. Podzemní důlní díla jsou charakteristické zvláště agresivním korozním mikroklimatem. Zvlášť silný vliv na zrychlení korozních procesů důlních konstrukcí má voda. Při analýze provozních podmínek chodbové výztuže v překopu k jámě „Wacław” bylo zjištěno, že lokální výtoky vody ze stropů a stěn splývaly po částech výztuže. Na obr. 10 je viditelný místní výtok důlní vody splývající po částech poddajné výztuže. Je třeba se domnívat, že intenzita výtoků byla proměnlivá zároveň v čase, jak i v prostoru.

V době prohlídky výztuže v místě exploatace bylo pozorováno silné zavlhnutí chodby a poměrně intenzivní proudění vzduchu. V takových podmínkách proces koroze výztuže je urychlen silnou vlhkostí ovzduší. Intenzivní proudění vzduchu způsobuje, že voda vytékající ze stropu a stěn se rychle sytí kyslíkem. Rozpuštěný kyslík ve většinou neutrální důlní vodě má podstatný vliv na rychlost koroze, protože je hlavním katodovým depolarizátorem. Voda a také silné proudění vzduchu způsobují vznik aerosolů. Vrstvičky vlhkosti mají podmínky pro udržování se na povrchu výztuže. Tyto vrstvičky mají dobrou elektrickou vodivost a proudění vzduchu způsobuje jejich silné provzdušnění. V těchto podmínkách proces koroze oceli probíhá velmi intenzivně.

Chemické složení důlních vod se může měnit v čase a prostoru. Složkami vody, které mají největší vliv na její agresivitu, je obsah chloridového a sírného iontu. Změny těchto látek ve vodě odebrané v překopu k jámě „Wacław” v místě exploatace výztuže jsou znázorněny na obr. 11 a a b.

Obsah chloridů ve vodě v posledních letech exploatace výztuže se udržuje na úrovni 17 000–18 000 mg/l. Obsah nad 200 mg/l klasifikuje ovzduší se silným stupněm korozní agresivity.

V době exploatace výztuže je možno pozorovat také změny koncentrace síranových iontů ve vodě. Zvláště ve dvou posledních měřeních v březnu 2009 a únoru 2010 jejich obsah se zvýšil z 221 mg/l do 501 mg/l. Obsah síranů 200–500 mg/l klasifikuje ovzduší se středním stupněm korozní agresivity.

Důležitým činitelem charakterizujícím vodu je koncentrace vodíkových iontů (pH). Změny pH v době exploatace výztuže jsou znázorněny na obr. 11c. Při analýze předložených závislostí můžeme konstatovat, že důlní vody měly pH blízkou 7, tedy neutrální. Ve zkoumaném období si můžeme všimnout, že v počáteční fázi to byla reakce lehce zásaditá, kdežto v konečné se změnila na lehce kyselou. Součástí zkoumané důlní vody jsou také tuhé látky, nerozpustné ve vodě, nacházející se v podobě emulze. Obsah emulze podlehla ve zkoumaném období dost značným změnám (obr. 11d).

Prováděné, během 20 leté doby exploatace výztuže, rozbory vody prokázaly přítomnost kationů: sodíku, vápníku, hořčíku, železa, draslíku, manganu.

Struktura povlaku na částech oblouku výztuže
Prohlídka výztuže v překopu k jámě „ Wacław” v hloubce 665 m dovolily vybrat dveřeje výztuží označených jako reprezentativní a jejich vyjmutí z chodby. Části dveřejí byly podrobeny strukturálním výzkumům. Byla ukázána struktura pozinkovaného povlaku na částech oblouků poddajných dveřejí výztuží na povrchu ze strany chodby a ze strany stěny.

Zpracovaná technologie pozinkování důlní výztuže [1] předpokládala vytvoření povlaku charakteristického velmi tenkou difúzní vrstvou fází Fe-Zn a tlustou vnější vrstvu zinku. Taková stavba zajišťuje poddajnost oblouku bez možnosti poškození povlaku.

Vybrané charakteristické struktury povlaku po 20 letech exploatace oblouku jsou znázorněny na obr. 12 – na vnější straně a na obr. 13 – na vnitřní straně. Na vnější straně (od strany chodby) je možno si všimnout, že povlak podlehl degradaci s různou intenzitou. Při rozboru struktury znázorněné na obr. 12a, b je možno zjistit, že povlak je vytvořen z tenké difúzní vrstvy Fe-Zn. Proces degradace povlaku probíhal ve vnější vrstvě, která mohla místně podlehnout úplnému opotřebení (obr. 12c, d). Difúzní vrstva ale nepodlehla probití do podkladu, což nadále zajišťuje ochranu povrchu oceli.

Na vnitřní straně oblouku byly pozorovány jen nečetná místa, na kterých došlo k úplnému opotřebení vnější vrstvy (obr. 13a). Všeobecně na této straně oblouku existuje vnější vrstva, která je tlustší než na vnější straně (obr. 13b–d).

Chemické a fázové složeníproduktů koroze
Na povrchu oblouku výztuže byly kvalitativně i kvantitativně určeny produkty koroze vznikající ve zkoumaném důlním prostředí. Vzhled povrchu oblouku je znázorněn na obr. 14a. Výsledky mikroanalýzy chemického složení v této oblasti jsou znázorněny na obr. 14b a v tab. 1. Na povrchu oblouku byl zjištěn výskyt následujících prvků: Al, Si, Cl, Ca, Fe i Zn.

Provedena fázová rentgenová analýza prokázala na povrchu oblouku výskyt sloučenin: SiO₂, ZnO, Zn₅(OH)₈Cl₂H₂O, FeCl₃, CaCO₃ (obr. 15).

Shrnutí
Prohlídka důlní výztuže v podmínkách exploatace a provedené výzkumy na náhodně vybraných částech výztuže uznaných za reprezentativní dovolily určit výsledky korozních změn po 20 letech exploatace ve reálném korozním prostředí.

Zakládka pozinkované i nepozinkované výztuže v jedné chodbě dovolila bezprostřední srovnání vlivu pozinkovaného povlaku na odolnost proti korozi. Vnější prohlídky výztuže dovolují konstatovat, že na povrchu pozinkované výztuže se nadále nachází pozinkovaný povlak. Na částech dveřejí nebyla zjištěna oblast výskytu červené koroze, což svědčí o tom, že povlak nadále zachovává své ochranné funkce. Na povrchu nepozinkované výztuže byl zjištěn pokročilý proces koroze. Bylo zjištěno odlupování korozních produktů od ocelového podkladu a také přítomnost prasklin ve vrchní vrstvě částí výztuže.

Provedený rozbor složení korozního prostředí v chodbě během doby exploatace dovoluje tvrdit, že části výztuže byly vystaveny působení typického důlního prostředí kvalifikovaného jako silný stupeň korozní agresivity. Přes silnou agresivitu prostředí pozinkovaný povlak si po 20 letech nadále uchovává své ochranné vlastnosti.

Pozorování byla potvrzena strukturními výzkumy. Na částech výztuže byl zjištěn výskyt stále ještě pozinkovaného povlaku. Ve zkoumaném období proces degradace povlaku postupoval hlavně ve vnější vrstvě povlaku, o čem svědčí její částečná ztráta nebo celkový zánik. Difúzní vrstva povlaku však zůstávala kontinuální/stálá. Je třeba upozornit na to, že odolnost proti korozi intermetalických fází Fe-Zn je vyšší než Zn. Proto povlak bude nadále plnit svoji ochrannou funkci.

Když shrneme provedené výzkumy, musíme prohlásit, že pozinkované povlaky získané metodou ponoru jsou účinným způsobem zabezpečení ocelových konstrukcí předurčených pro použití v agresivním důlním prostředí.

Literatura:
[1] Liberski P., Podolski P., Larysz H.: Opracowanie technologii ocynkowania elementów obudowy chodnikowej. Politechnika Śląska, grudzień 1987, praca nie publikowana

Autoři

• Kania Henryk
• Liberski Piotr
• Wojtynek Józef
• Szuścik Jacek