Mapa korozní rychlosti zinku pro ČR

Atmospheric environment containing air pollutants causes damage on materials, technical objects and protection systems. Mapping air pollution effects represents an important tool for identifying areas with higher risk of corrosion and for selecting more resistant materials or different protective measures. The contemporary mapping of corrosion effects of pollution on materials in the Czech Republic was made by application of dose/response functions for air pollution, temperature and humidity distribution using GIS software in grid 2 x 2 km. Maps of corrosion effects and exceedances trends of acceptable corrosion rates were elaborated for carbon steel and zinc as important structural metals.

Materiály se znehodnocují i při působení běžných přírodních podmínek. Pro každý typ materiálů jsou rozhodující jiní činitelé. Podstatný vliv na degradaci materiálů má znečištění prostředí. Odezva jednotlivých materiálů je různá podle jejich složení a dalších charakteristik. Většina materiálů exponovaných v atmosféře je citlivá na působení sloučenin síry, aerosolů chloridů a na kyselost atmosférických srážek. Korozní rychlost je silně ovlivňována koncentrací nečistot ve vzduchu - v podmínkách ČR je dosud nejvýznamnější složkou znečištění SO₂. Nejnovější poznatky o atmosférické korozi kovů vedou k závěru, že v současných podmínkách nabývají na významu i další složky atmosférického znečištění.
Ke stupni, ale i druhu znečištění je třeba přihlížet při volbě materiálů a jejich ochranných povlaků. Úroveň znečištění je rozhodujícím ukazatelem při odhadu životnosti objektů, jejich komponent či povrchových úprav. Podle druhu a úrovně znečištění se volí i druh a trvání urychlené korozní zkoušky pro ověření jakosti protikorozních ochranných systémů. V případě hodnocení účinků znečištění na materiály se v následných aplikacích, včetně mapování, vychází z výsledků kooperativního programu ICP UN ECE Effects on materials including historic and cultural monuments. Experimentální stanovení účinků znečištění ovzduší na materiály je nezbytným základem pro následné formy zpracování. Velmi názorné a k více účelům využitelné podklady představují mapy účinků znečištění ovzduší na materiály uplatněné v prostředí na technické výrobky, stavební objekty či objekty kulturního dědictví. Dále uvedené výsledky představují aplikaci metodik zpracovaných při plnění protokolů Konvence (LRTAP) v rámci dvou programů pracovní skupiny pro účinky (WGE/UN ECE) - mezinárodního programu spolupráce pro sledování účinků na materiály (ICP M) a pro modelování a mapování účinků (ICP M&M).

ROVNICE ZNEHODNOCENÍ
V rámci aktivit navazujících na plnění Konvence o dálkovém přenosu znečištění byly odvozeny rovnice znehodnocení materiálů, které vyjadřují závislost míry efektu na atmosférických činitelích (RV - relativní vlhkost, SO₂, Cl^-, O₃, teplota, kyselost srážek). Tyto funkce, vyjadřující závislost stupně znehodnocení na znečištění a dalších parametrech, lze ve většině případů transformovat na funkce životností, které jsou pak základem pro ekonomické hodnocení škod. Pro kovové materiály je znehodnocení vyjádřeno jako úbytek materiálu. Rovnice pro materiály jsou odvozeny na základě hodnocení standardně vystavených vzorků. Reálné korozní účinky na členitém objektu bývají místně diferenciované, což ovšem je třeba uvažovat až v konkrétních případech. Dále uváděné příklady rovnic jsou platné pro expozici materiálů na volné atmosféře (tabulka 1).
Pro materiály se jeví jako technicky významné mapovat přímé hodnoty rozhodujících složek znečištění a hodnoty korozních rychlostí dosahovaných v reálném prostředí, což umožňuje využití mnoha ustanovení technických norem z oblasti protikorozní ochrany. Na základě výsledků dlouhodobého zkušebního programu UN ECE ICP Effects on Materials Including Historic and Cultural Monuments [1] byla zpracována koncepce tzv. přijatelných úrovní znečištění. Přijatelná úroveň znečištění je definována jako koncentrace nebo depozice složky znečištění, která ještě nevyvolá nepřijatelné zvýšení rychlosti koroze nebo degradace. Přijatelná rychlost koroze nebo degradace je definována jako poškození, které je z technického i ekonomického hlediska únosné. V praxi se vyjadřuje jako násobek průměrné korozní rychlosti v oblastech se znečištěním na úrovni „pozadí“ (background), tj. minimálním, a je volena s přihlédnutím ke konkrétnímu řešení (tabulka 2). Přijatelné hodnoty korozních rychlostí Ka jsou definovány jako násobky korozní rychlosti při znečištění na úrovni pozadí Kb:

K_a = n . K_b

kde hodnoty n se uvažují 1,5; 2,0 a 2,5.
Pro technicky i ekonomicky správnou volbu konstanty n je třeba uvažovat pro hodnocení území vývoj koncentrace rozhodujícího znečištění (oxid siřičitý) paralelně s dosahovanými ročními korozními rychlostmi oceli a zinku a vyčíslit poměr k uvedené hodnotě korozních rychlostí při úrovni znečištění pozadí. V manuálu pro mapování [1, 2] jsou doporučeny hodnoty n v řadě 1,5; 2,0 a 2,5. Za současné environmentální situace v ČR lze považovat stupeň překročení (n = l,5) za odpovídající současným možnostem snah o snížení znečištění ovzduší, úplné dosažení tohoto stavu je zatím spíše perspektivní. S přihlédnutím k trendům snižování znečištění ovzduší byly zpracovány mapy pro n = 1,5 a 2,0, což respektuje současný i cílový stav a uvažuje i různý význam znečištění pro sledované konstrukční kovy. Mapa překročení přijatelných korozních rychlostí vyzní jinak pro konstrukční ocel a jinak pro zinek, což je ovšem v souladu se znalostmi o mechanismech koroze ve znečištěných atmosférách.

ZDROJE DAT A ZPRACOVÁNÍ MAP KOROZNÍCH RYCHLOSTÍ
Vstupní data pro vyhodnocení korozních rychlostí byla získána ze zdrojů ČHMU a byla užita jak pro zpracování map rozložení vybraných činitelů prostředí, tak i map korozních účinků prostředí na konstrukční ocel a zinek. Pro odvození korozních rychlostí pro oba materiály byla zapotřebí data pro průměrné roční koncentrace SO₂ [3], relativní vlhkost vzduchu a průměrnou roční teplotu vzduchu. Pro vyhodnocení korozních rychlostí pro zinek a zinkové povlaky byly navíc zapotřebí údaje o kyselosti srážek a srážkové úhrny. Údaje o koncentraci SO₂ byly převzaty z databáze ISKO ČHMU a představují časovou řadu od roku 1990 do roku 2001. Relativní vlhkost vzduchu a průměrná roční teplota representují dlouhodobé normály zpracované na základě měřených dat za období 1960 - 1990 [4]. Průměrné roční teploty vzduchu nepřesahují na území ČR hodnotu 10 °C, což usnadňuje využití rovnic znehodnocení pro kovy, kde výpočetní model při průměrných ročních teplotách nad 10 °C je odlišný. Průměrná roční relativní vlhkost se na většině území ČR vyskytuje v rozmezí 75 - 85 % RV. Vyšší hodnoty vykazují části horských oblastí, nižší pak část jižní Moravy a středních Čech. Lze tedy usuzovat, že hodnota relativní vlhkosti neovlivňuje významnou mírou vyčíslené hodnoty korozních účinků atmosférického prostředí. Pokles průměrné roční koncentrace oxidu siřičitého ve sledovaném období je velmi významný, dosahované hodnoty se snížily o desítky procent. Poloha míst s vyšší zátěží SO2 se mnoho nemění. Při porovnávání příslušných map pro obě období je třeba si uvědomit, že na emisích SO2 se kromě velkých zdrojů podílí i lokální topeniště a místní průmyslová činnost. Data o kyselosti srážek a srážkové úhrny byly nahrazeny údaji o mokré kyselé atmosférické depozici pro období let 1994 - 2001, která se také v posledních letech snížila.
Údaje z ČHMU byly předány ve formě GIS vrstev různých zpracování. Zatímco dlouhodobé teplotní a vlhkostní normály byly ve formě polygonových map ČR, údaje o atmosférické depozici vodíkových iontů a koncentraci oxidu siřičitého byly podrobněji zpracovány v síti 2 × 2 km. Tato data byla exportována do Arc View 8.3, kde byl proveden výpočet korozních rychlostí pro oba materiály (ocel a zinek) a zpracovány výstupy schematických map výsledků korozních rychlostí. Tímto způsobem byly zpracovány pro celé území České republiky dva rozsáhlé soubory map:

• mapy regionálního rozložení rozhodujících činitelů atmosférického prostředí,
• mapy regionálního rozložení korozních účinků znečištěného atmosférického prostředí na ocel a zinek (obr. 1).

Je nutné upozornit, že korozní rychlosti odvozené na základě D/R rovnic jsou platné obecně pro rovné povrchy, takže na reálných konstrukcích mohou být místa či oblasti, kde může být vlivem konstrukčního uspořádání korozní rychlost vyšší. Také pokud se v blízkosti konstrukce vyskytuje netypické průmyslové znečištění z lokálního zdroje, může být korozní rychlost zinkového povlaku vyšší. Následné práce budou směřovat k mapování technických a ekonomických aspektů korozních účinků znečištění na materiály a systémy protikorozních opatření. Využití různých statistických údajů vytváří předpoklady alespoň pro orientační řešení. I relativní hodnoty mohou být pro určitou uživatelskou oblast využitelné [4]. Postižení účinků znečištění ovzduší na materiály v ekonomickém smyslu je mimořádně důležité a může být využito i jako podpora snah a zejména realizace opatření na snížení úrovní znečištění. Zpracované podklady pomáhají odvodit životnosti žárově nanášených zinkových povlaků, protože tyto životnosti lze odvodit z tloušťek povlaků a jejich úbytku v čase při působení prostředí. Korozní účinky atmosférického prostředí včetně znečištění nepředstavují jen úbytek materiálu a tím snížení životnosti výrobku či prvku. Podíl zkorodovaného materiálu přechází i do okolního prostředí, sleduje se zejména únik mědi a zinku (run-off) [5, 6]. I tento efekt lze zahrnout do perspektivních snah o mapování účinků. Vyjádření relativního úniku kovu do okolního prostředí nebude obtížné. Skutečnou zátěž je však možno vyjádřit až při znalosti množství exponovaných ploch příslušného kovu.

Celý nezkrácený článek včetně tabulek, grafů a obrázků si můžete přečíst v prosincovém čísle 6/2004.

Autoři

• Ing. Kreislová Kateřina PhD.
• Svaz podnikateků ve stavebnictví
• Ing. Skořepová Irena