Korozní chování zinkových povlaků v specifickém mikroklimatu tunelu

ÚVOD
Krátké silniční tunely byly v České republice ojediněle budovány již v průběhu 20. století, např. Vyšehradský tunel začátkem století, Sečský a Kokořínský tunel ve 30. letech. V průběhu století byly vybudovány ještě dva městské tunely v Praze: Letenský tunel v roce 1953 a Těšnovský tunel v roce 1980. V polovině 90. let začal, zejména v souvislosti s tlakem na ochranu životního prostředí, rozmach výstavby tunelů na dálnicích a městských rychlostních komunikacích. Je zřejmé, že počet tunelů, především na silničních okruzích měst významně naroste.

Náklady na vybavení tunelů z hlediska bezpečnosti jejich provozu jsou velmi významné a v dosud provozovaných tunelech nedosazují tato zařízení požadované životnosti z důvodů korozního poškození. Dle ČSN 73 7507 se technické vybavení tunelů navrhuje na předpokládanou funkční životnost 15 let.

Součástí tunelu je technické vybavení tunelu: dopravní systém, osvětlení tunelu, větrání tunelu, zařízení bezpečnostního systému, spojovací a dorozumívací vybavení, požárně bezpečnostní zařízení, systém videodohledu, řídicí systém, zásobování elektrickou energii, vodní hospodářství a zařízení pro servis a údržbu. Ve většině těchto zařízení se pro jejich konstrukci používají kovové materiály, resp. kovové materiály s povrchovou úpravou. Žárové zinkové povlaky nebo duplexní povlaky jsou použity na celé řadě prvků vybavení tunelů. V případě korozního poškození může dojít k selhání řady těchto zařízení.

Vzhledem k vysoké korozní agresivitě prostředí dopravních komunikací a tunelů zvláště dochází k projevům korozního poškození i některých prvků infrastruktury již během 3 let provozu. Významné pro prostředí v tunelech je, že tyto všechny složky znečištění ovzduší se zde vyskytují ve vyšších koncentracích než ve vnějším ovzduší.

Ve světě je ovzduší v tunelech věnována větší pozornost, jak dokládá řada studií – ovzduší bylo sledováno v různých typech tunelů zejména v posledních 15 letech. V ČR bylo prostředí v tunelech monitorováno jen výjimečně a pouze krátkodobě, většinou pro účely vědeckých projektů zaměřených na charakterizaci emisí z dopravy [1]. V těchto monitorovacích kampaních jsou sledovány výhradně složky znečištění ovzduší významné především z hlediska vlivu na lidské zdraví. Degradace materiálů je v tunelech sledována jen výjimečně a ve většině případů bylo sledováno korozní chování korozivzdorných ocelí.

HODNOCENÍ KOROZNÍHO NAPADENÍ ZINKOVÝCH POVLAKŮ NA KONSTRUKCÍCH DOPRAVNÍ INFRASTRUKTURY V TUNELECH
V r. 2011–12 byly realizovány opakované prohlídky vybraných tunelů a hodnocení degradace materiálů a depozic znečištění na jejich povrchu. Prvky s povrchovou úpravou žárovým zinkováním byly hodnoceny především v tunelu Mrázovka, Praha (7 let provozu), ale i v Lochkovském tunelu (1 rok provozu).

Korozní napadení u prvků se zinkovým povlakem je poměrně intenzivní a projevuje se několika charakteristickými defekty v závislosti na stupni degradace (obrázek 3):

• objemné bílé korozní produkty zinku,
• červené korozní produkty podkladové oceli – ojediněle.

U všech hodnocených materiálů a prvků bylo nejzávažnější korozní poškození zjištěno u spojovacích materiálů. Vzhledem k tomu, že na některých konstrukčních dílech byla použita nevhodná kombinace materiálu, dochází zde ke zvýšení korozního napadení v důsledku bimetalické koroze, např. styk hliníku s žárově zinkovanými šrouby (obrázek 2).

V případě ventilátorů z Lochkovského tunelu (1 rok provozu), kde je povrchová úprava řešena duplexním systémem, bylo nejintenzivnější korozní poškození zjištěno u ventilátorů umístěných cca 100 m od vjezdu do tubusu, a u druhých ventilátorů cca 300 m v tubusu. Nátěr již je podkorodován a vykazuje delaminaci od zinkového povlaku.

Tabulka 1 – Klimatické parametry

Tabulka 2 – Znečištění ovzduší měřené pasivními vzorkovači

Tabulka 3 – Znečištění ovzduší měřené aktivními vzorkovači – plynné znečištění

KOROZNÍ ZKOUŠKA V PROSTŘEDÍ TUNELU
V r. 2011 bylo zahájeno detailní měření znečištění i degradace materiálů v tunelu Mrázovka. Měření i expozice kovových kupónů probíhalo v klesajícím tubusu tunel (směr Smíchov), cca ve vzdálenosti 850 m od vjezdu (za rozpletem) – obrázek 4. V tunelu byl v místě expozice vzorků umístěn dataloger COMET sledující teplotu, relativní vlhkost a absolutní množství vodní páry. Měření ovzduší v tunelu Mrázovka bylo realizováno formou týdenních odběrových kampaní v různých ročních obdobích, aby postihly sezónní variabilitu jak složení emisí, tak dopravního proudu. V tunelu byly také umístěny pasivní vzorkovače pro měření průměrných měsíčních znečištění SO₂ a NO_x. Pro stanovení depozice chloridů v prašném spadu byly využity filtrační desky.

Pro určení zda daný kovový materiál nebo systém povrchové úpravy je vhodný pro určité prostředí je nutné znát podmínky tohoto prostředí, a to především limitní podmínky. Environmentální parametry a korozní znehodnocení základních typů materiálů byly získány z roční expozice v tunelu Mrázovka (tabulky 1 – 4).

Kupóny zinku o rozměrech 30 × 80 × 1 mm byly exponovány jednostranně (zadní strana vzorků byla chráněna ochrannou fólií). Roční korozní úbytky zinku byly 19,7 g.m–2 (obrázek 5). Na základě ročních korozních úbytků byla odvozena korozní agresivita prostředí tunelu podle ČSN EN ISO 9223, i když toto specifické prostředí není vymezeno touto normou, je možné mu pro zinek přiřadit stupeň C4.

Analýza povrchových vrstev na kovových kupónech exponovaných 1 rok v tunelu Mrázovka byla provedena rtg. difrakční analýzou i EDA X metodou na rastrovacím elektronovém mikroskopu (obrázek 5). Výsledky jsou uvedeny v Tabulce 5. Kvalitativní fázová analýza byla provedena na systému XRD 3000 P fy. Seifert, SRN, goniometr s Bragg‑Brentanovým fokusačním uspořádáním, použité záření CoKα, grafitový monochromátor. Zjištěné hodnoty mezirovinných vzdáleností byly srovnávány s databází PDF2 – pro zinek. V povrchových vrstvách (korozní produkty, depozice prašných nečistot) výrazně dominuje simonkolleit Zn₅(OH)₈Cl₂H₂O, slabě patrný je křemen. Ve vodném výluhu z povrchových úsad a korozních produktů byl zjištěn obsah chloridů 208 mg.m^–2.

Tabulka 4 – Znečištění ovzduší měřené aktivními vzorkovači (6. – 13. 12. 2011)

Tabulka 5 – EDAX analýza povrchu kupónu zinku

ZÁVĚR
V tunelu byla stanovena korozní agresivita atmosférického prostředí pro zinek na stupni C4. Mikroklimatické prostředí v tunelu je významně ovlivněno výskytem chloridů ze zimního posypu rozmrazovacích prostředků. Zvýšené korozní namáhání se projevuje nejen v zimním období, ale ve všech dalších ročních obdobích, kdy se chloridy deponují na povrchu kovů vlivem sekundární prašnosti [2]. V prostředí tunelů se vyskytují chloridy z posypových solí vnesené provozem vozidel prakticky v celé déle tunelu. Empirické údaje ukazují, že množství chloridů obsažené v prachu je možné snížit pravidelným čištěním tunelu na určitou hodnotu, ale jejich minimální množství stále dosahuje 1 hmot. % prašných úsad [3]. V prašném spadu v tunelu Mrázovka bylo zjištěno, že prašné úsady obsahují až 4 hmot. % chloridů (analýza byla provedena 05/2012, cca 1 měsíc po pravidelném čištění tunelu po zimním období).

Především v důsledku dlouhodobého působení chloridů jsou v prostředí tunelu roční korozní úbytky zinku vyšší než korozní úbytky zjištěné na volné atmosféře v okolí dopravní komunikace (obrázek 7) [4, 5]. Předpokládaná životnost zinkových povlaků o tloušťce 75 μm je v prostředí tunelu pouze 8 – 10 let. Na spojovacím materiálu a v případě výrobků z žárově zinkovaných plechů, kde je tloušťka zinkového povlaku výrazně nižší, je životnost takového povrchové úpravy také významně nižší a může být jen 1 – 2 roky, což bylo potvrzeno i hodnocením exponovaných materiálů na konstrukčních dílech a infrastruktuře v tunelech.

LITERATURA:
[1] Colberg C.A., Tona B., Stahel W.A., Sturm P., Meier M., Staehelin J. 2005. Comparison of a road traffic emission model (HBEFA) with emissions derived from measurements in the Gubrist road tunnel, Switzerland. Atmospheric Environment Vol. 39, No. 26, pp. 4703–4714 ISSN 1352-2310
[2] Kristensson A., Johansson C., Westerholm R., Swietlicki E., Gidhagen L, Wideqvist U., Vesely V. 2004. Real-world traffic emission factors of gases and particles measured in a road tunnel in Stockholm, Sweden. Atmospheric Environment Vol. 38, No. 5, pp. 657–673 ISSN 1352-2310
[3] Hueglin C., Buchmann B., Weber R.O. 2006. Long-term observation of real-world road traffic emission factors on a motorway in Switzerland. Atmospheric Environment Vol. 40, No. 20, pp. 3696–3709 ISSN 1352-2310
[4] Velíšek J., Stanovení charakteru znečištění z dopravy, Ochrana ovzduší, 1/2010, str. 21-26 (in Czech) 
[5] Mui K.W. Shek K.W. 2005 Influence of in-tunnel environment to in-bus air quality and thermal condition in Hong Kong. Science of the Total Environment Vol. 347, No. 1-3, pp. 163– 174 ISSN 0048-9697
[6] Knibbs L. D., de Dear R. J., Morawska L., Mengersen K. L. 2009. On-road ultrafine particle concentration in the M5 East road tunnel, Sydney, Australia. Atmospheric Environment, Vol. 43, No. 22-23, pp. 3510-3519 ISSN 1352-2310
[7] Williams A. L., Stensland G. J., „Atmospheric Dispersion Study of Deicing Salt Applied to Roads“, Part II Final Report For Period July 2002 to June 2004, in the  January 2006 issue of Research Report No. 140, Illinois Department of Transportation
[8] Tunnel Fire Protection, www.promat-tunnel.com, 2008
[9] Knotková D., Kreislová K., Korozní chování kovů a kovových povlaků v atmosférickém prostředí, SVÚOM.Praha, 2010, ISBN 978-80-87444-01-6 (in Czech)
[10] K. Kreislová, A. Koukalová, T. Laník, K. Hovorková, Zinc coatings lifetime on the road infrastructure structures, proceedings of 17. conference of hot dip galvaninzing, 14.-16.6.2011, Ostrava, ISBN 978-80-254-9364-9, pp. 39-44

Autoři

• Ing. Kreislová Kateřina PhD.
• Ing. Geiplová Hana
• Ličbinský Roman