Vliv environmentálních a konstrukčních podmínek na korozní chování konstrukcí z ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi

• Foto

Ve spolupráci řady vědeckých a výzkumných organizací byl v letech 2008–2010 řešen projekt MPO – FT-T A5/076 Výzkum vlastností stávajících a nově vyvíjených patinujících ocelí z hlediska jejich využití pro ocelové konstrukce. Řešení projektu probíhalo v několika etapách zaměřených na různé oblasti použití patinujících ocelí včetně výzkumu vlivu moderních postupů válcování na mechanické a korozní vlastnosti tlustých plechů z patinujících ocelí [5, 6], řešení šroubových spojů a účinnosti aplikace nátěrových systémů [7].

Spolehlivé a efektivní uplatnění patinujících ocelí při realizaci různých typů venkovních ocelových konstrukcí je podmíněno řadou specifických podmínek a požadavků, které musí být splněny ve všech fázích technické přípravy a realizace i při dlouhodobém užívání konstrukcí z patinujících ocelí bez protikorozní povrchové ochrany. Prakticky použitelný a ověřený technický dokument, zahrnující podmínky a požadavky pro aplikaci patinujících ocelí v ocelových konstrukcích však zatím není dostupný ani v České republice, ani v obsáhlé knihovně evropských technických norem. Méně zkušení projektanti a investoři jsou proto většinou nuceni vycházet ze starších poznatků nebo dílčích dokumentů a obecných platných norem [8–15].

Atmosférické korozní zkoušky patinujících ocelí
Vzhledem k novému rozšíření použití patinujících ocelí pro stavbu dálničních mostů a pro různá architektonická použití a v souvislosti se změnami v korozní agresivitě prostředí probíhají v rámci projektu MPO – FT-T A5/076 atmosférické zkoušky patinujících ocelí v různých typech prostředí a dále pak urychlené zkoušky vlivu chloridů na tvorbu ochranné patiny.

V roce 2008 byly na pěti lokalitách v ČR exponovány vzorky patinující oceli Atmofix 52A spolu se vzorky ocelí Corten A a B a uhlíkové oceli jako referenčního materiálu (obr. 1). Srovnání výsledků ročních korozních úbytků patinující oceli s výsledky atmosférické zkoušky realizované v r. 1988 ukazují vliv snížení znečištění ovzduší SO₂ a tedy i korozní agresivity (obr. 2). Ke snížení ročních korozních úbytků došlo jak na volné atmosféře, tak pod přístřeškem.

V lokalitě Ostravy, kde je atmosférické prostředí znečištěno i dalšími specifickými složkami, jsou aktuální roční korozní úbytky patinující oceli srovnatelné s korozními úbytky zjištěnými při vyšších koncentracích SO₂ v 80. letech. Přesto jsou i v těchto lokalitách roční korozní úbytky patinující oceli výrazně nižší než korozní úbytky konstrukční oceli (cca 30 μm pro patinující ocel a cca 70 μm pro konstrukční ocel). Složení vrstev korozních produktů všech typů ocelí je po 1 roce expozice velmi obdobné a tvoří je především lepidokrokit (počáteční fáze vzniku korozních produktů oceli) se stopami goethitu.

Dlouhodobá expozice realizovaná v 80. letech ukázala trend snižování korozní rychlosti po dosažení ustáleného stavu cca po 5 letech expozice. Na obr. 3 je tento trend po extrapolaci na 30 let expozice spolu s aktuálními ročními korozními úbytky pro různé typy prostředí v ČR.

Korozní chování patinujících ocelí v provozních podmínkách
V rámci projektu bylo provedeno hodnocení objektů z patinujících ocelí s různou dobou expozice a provozních podmínek. Bylo provedeno vizuální hodnocení stavu patiny, měřena tloušťka patiny a zbytkové tloušťky profilů a analyzováno složení patiny s ohledem na vliv prostředí. Práce provedené v letech 2008–2010 navazují na výsledky inspekcí objektů, zejména mostů a různých typů stožárových konstrukcí z let minulých, což umožňuje posuzovat původ a rozvoj vad a poruch v čase a zvyšuje přesnost prognózy životnosti. Systematický průzkum OK z patinujících ocelí probíhal v letech 1975–1983 [16, 17], průzkum stavu vybraných objektů pak v letech 1995, 2004 a 2005 [18, 19].

Současné práce zahrnuly hodnocení 40 objektů z patinující oceli, z toho 13 dlouhodobě exponovaných mostů. Inspekce byly prováděny jednotnou metodikou, v rámci které byly ověřeny a hlouběji rozpracovány vybrané a pro praxi vhodné hodnotící a měřící postupy. Realizovaná inspekční činnost upřesnila podmínky vhodného použití patinujících ocelí a na konkrétních objektech vymezila místa vad a poruch a odvodila příčiny jejich vzniku. Prohlídka řady mostních konstrukcí byla provedena ve spolupráci s oborníky kvalifikovanými k výkonu hlavních a mimořádných prohlídek mostů. Třídění závad zjištěných při prohlídkách mostů se provádí podle Katalogu závad mostních objektů [20]. Vizuální prohlídkou a provedenými měřeními bylo možné posoudit pouze zjevné závady, a to závady vázané na druh materiálu – nízkolegovanou ocel se zvýšenou odolností k atmosférické korozi. Klasifikace stavu ocelových konstrukcí mostů z patinující oceli Atmofix po více než 25 letech expozice je uveden v tabulce 1.

Spolehlivost každé konstrukce vystavené nepříznivému koroznímu oslabování je potřeba hodnotit individuálně. Provozní podmínky, kterým jsou patinující oceli vystaveny na řadě konstrukcí, nesplňují vždy podmínky pro vznik ochranné patiny. Hlavními specifickými vlivy provozních podmínek jsou různý stupeň omezení vlivu prostředí [21, 22], orientace ploch [23, 24] a specifické znečištění a úsady.

Vrstva patiny je dynamický systém, který reaguje na vnější podmínky – působení korozních i mechanických vlivů, ale na druhou stranu má i schopnost regenerace a obnovy ochranných vlastností. Vliv nevhodného konstrukčního řešení nebo poškození doplňujících prvků se velmi rychle projeví na vzhledu patiny – především na její makroskopické struktuře (objemnější, méně přilnavá vrstva) – obr. 4. Z hodnocení reálných konstrukcí, kdy došlo k odstranění zatékání, je patrné, že proces tvorby ochranné patiny je pomalý a trvá cca pět let, tj. doba, která je potřebná pro vznik ochranné patiny i na nově vystavených konstrukcích [3, 20].

Životnost objektů z patinujících ocelí v převažující míře záleží na projevech lokálního korozního napadení, které je vyšší než rovnoměrné korozní napadení volných ploch. Tyto jevy, které záleží na návrhu konstrukčního řešení a technologickém provedení konstrukce a její údržbě, lze hodnotit pouze na dlouhodobě provozovaných objektech. Při určitém zobecnění nepříznivé korozní projevy mohou nastávat pokud:

• je překročena úroveň průmyslového atmosférického znečištění v okolní atmosféře nad limit, který ještě umožňuje vznik ochranné rzi – patiny,

Úrovně znečištění současných městských a průmyslových atmosfér mimo rozvojové země nepřesahují limity pro užití patinujících ocelí. Podmínky vhodných limitů jsou plně splněny na celém území ČR. Výjimkou je např. prostředí průmyslových spalin a exhalací.

• vyskytují se konstrukčně a technologicky podmíněná místa, kde vznikají nepříznivé lokální korozní projevy,

Hlavní rizikové elementy jsou charakterizovány nedostatečným vystavením povětrnosti, prodloužením period ovlhčení, kumulací nečistot a spadu rzi. Takové podmínky nastávají zejména v přístřeškových horizontálních polohách, v koutech a spojích. Zvláště nebezpečný je vznik štěrbin, kde hromadění se objemné rzi vede k deformacím až destrukci prvků. Povrchy objektů z patinujících ocelí vyžadují určitou údržbu, pokud se zanedbá, roste rozsah rizikových míst, která významně omezují spolehlivost a životnost prvků či objektů jako celku. Pozornost je třeba věnovat návrhu a provedení šroubových a svarových spojů.

• působí lokálně specifická znečištění, zejména chloridy z posypových rozmrazovacích prostředků,
• zanedbání údržby vytváří nepříznivé lokální korozní situace.

U všech posuzovaných mostních konstrukcí byly vyhodnoceny také příčiny vzniklé poruchy. Hlavní příčiny významných poruch vývoje patiny lze rozdělit do následujících skupin, které se často vzájemně doplňují:

a) poruchy plynoucí ze zanedbané údržby mostu

• nefunkční mostní závěry,
• poruchy odvodňovacích žlabů a potrubí: zanesené, prokorodované, odcizené apod.,
• poruchy částí mostu, které nejsou z konstrukční oceli: popraskaná vozovka, porušené chodníky a římsy apod.,
• dlouhodobé nánosy a nečistoty na vodorovných plochách OK a u ložisek mostu

b) poruchy plynoucí z návrhu konstrukce

• problematická volba konstrukčního systému, např. velké množství šroubovaných styčníků příhradových konstrukcí
• problematické detaily, především částečně uzavřené kouty
• nevhodný systém odvodnění mostu, např. zatékání na ocelovou konstrukci z odvodňovacích otvorů, prstové mostní závěry apod.

c) poruchy plynoucí z dodatečných zásahů do konstrukce mostu,
d) další příčiny, např. přímý přístup zvěře ke konstrukci mostu; kumulace nečistot od bezdomovců.

V publikacích, například [25], byla naznačena možnost významně omezené životnosti mostních konstrukcí z důvodu vzniku korozních mikrotrhlin o délce několika desítek mikrometrů. Problematika byla konzultována s odborníky z ÚFM AV ČR, přičemž bylo konstatováno, že objevené mikrotrhliny (pokud se vůbec jedná o únavové mikrotrhliny) zdaleka nedosahují parametrů, kdy by významně ovlivňovaly spolehlivé fungování konstrukce. Tvrzení o vyčerpané životnosti mostní konstrukce kvůli pozorovaným „mikrotrhlinám“ by mělo být podle názoru autorů tohoto článku podloženo řádným statickým výpočtem (například na základě lomové mechaniky) nebo únavovými zkouškami. Z publikace [25] není rovněž zcela zřejmé, ze které konstrukce a z jakého místa byly vzorky odebrány, jaký byl stupeň korozního napadení prvku…

V této souvislosti je potřeba poznamenat, že únavová odolnost konstrukcí je vzniklou patinou významněji ovlivněna pouze u vyšších kategorií detailů. U kategorií detailů 100 a nižší je již vliv nerovného povrchu na únavovou pevnost zanedbatelný. Toto poznání bylo zapracováno již do publikace [9] a mezi odbornou veřejností je dostatečně známo.

Pro vyhodnocení vlivu poruchy na spolehlivé fungování konstrukce je rozhodující zjištění, zda dochází k významnému oslabování konstrukce, ve které části nosné ocelové konstrukce a na jak velké ploše k tomuto oslabování dochází. U dlouhodobě exponovaných mostních konstrukcí, na kterých byla identifikována místa s vizuálně nepříznivým vývojem ochranných korozních produktů, byla provedena systematická měření zbytkových tloušťek. Aby bylo možno vyhodnotit závažnost poruchy, byla měření provedena vždy v místě identifikované poruchy a v nejbližším sousedním místě s příznivým nebo přijatelným vývojem patiny. Z výsledků prohlídek a provedených měření vyplývá, že v místech s vizuálně nepříznivým vývojem patiny často nedochází k výraznému oslabování konstrukce v porovnání s přilehlými plochami s příznivým vývojem patiny. Nezanedbatelná oslabení byla zjištěna především v místech vzniku vrstevnatých korozních produktů.

Spolehlivost každé konstrukce vystavené nepříznivému koroznímu oslabování je potřeba hodnotit individuálně. Některé důsledky korozního oslabování jsou však pro značnou část posuzovaných mostních konstrukcí společné:

a) Korozní oslabení tlustších profilů ve srovnání se stejným oslabením tenčích profilů méně ovlivní výslednou únosnost posuzovaného prvku konstrukce – např. procentuální pokles momentové únosnosti nosníku s pásnicemi z P30 je menší než u nosníku s pásnicemi z P15, uváží-li se stejné oslabení dolních pásnic o 2 mm.

b) Nejčetnější poruchy byly identifikovány u opěr mostů z důvodu netěsných mostních závěrů a/nebo zanesení konstrukce spadem a nečistotami. V oblasti dochází k oslabování dolních pásnic, přilehlé části stěny hlavních nosníků a krčních svarů. V dané oblasti působí na konstrukci nulový nebo velmi malý ohybový moment. Korozní oslabovaní dolních pásnic tak nemá na spolehlivost konstrukce významný vliv. Takto ovlivněné plochy netvořily ani 1 % z celkové plochy konstrukce.

c) V místě uložení mostu na ložiska však působí velké posouvající síly. Namáhána je stěna hlavních nosníků na smyk. Oslabení stěny má obvykle lokální charakter v dolní část stěny do 20 cm nad dolní pásnicí, nad ložiskem je většinou příčná výztuha – zesilování stěny nebude pro naměřené korozní úbytky potřebné (u nejasných případů je nutné potvrdit statickým výpočtem).

d) Největší vliv má korozní oslabování na krční svary u dolní pásnice, které jsou nejvíce namáhány v oblasti velkých posouvajících sil – tj. v oblasti uložení nosné konstrukce na ložiska. Poškození svarů také snižuje únavovou odolnost konstrukce. U výrazně oslabených svarů je potřeba před rozhodnutím o případné rekonstrukci provést defektoskopické vyšetření.

e) Na plochách konstrukcí s ochrannou patinou i s patinou ovlivněnou periodickým zatékáním nebyly ve srovnání s přípustnými válcovacími tolerancemi zjištěny měřitelné korozní úbytky.

f) Na řadě konstrukcí byla zjištěna místa, kde došlo ve vzniku vrstevnatých korozních produktů, především v důsledku dlouhodobé zádrže srážek a vlhkosti. V místech kotvení konstrukcí a stožárů, kde došlo k hromadění spadu a zádrži vlhkosti, vznikla vrstevnatá rez a zjištěné korozní úbytky dosahovaly 5 až 10 mm, což je více než 50 % původní tloušťky profilu.

Závěr
Provedenými hodnoceními byl stanoven významný pokles počáteční rychlosti patinující oceli v běžných podmínkách ČR, což však nevylučuje výrazné lokální korozní efekty podmíněné konstrukčním řešením nebo specifickým provozním znečištěním.

Použití patinujících ocelí je ekonomickým i ekologickým řešení pro některé typy ocelových konstrukcí s dobrými předpoklady pro dlouhodobou životnost, ale tyto konstrukce stejně jako jiné vyžadují pravidelné kontroly a údržbu, především doplňujících konstrukčních prvků, které jsou často zhotoveny z jiných materiálů. Konstrukce hodnocené po 25–30 letech expozice v ČR vykazují některé defekty způsobené především nedostatečnou základní údržbou, ale v tom nejhorším případě může být most dále plně funkční po provedení potřebných oprav. Porovnání technického stavu mostů z patinujících ocelí a uhlíkové ocel s povrchovou úpravou nátěrovým systémem, které jsou stejně staré, prakticky totožného konstrukčního uspořádání a jsou součástí stejné komunikace, ukázalo, že poruchy popsané u mostu z patinující oceli se ze stejných příčin a v obdobné míře vyskytují také na konstrukci opatřené nátěrem [3].

Posouzení závažnosti a následné odstranění jednotlivých zjištěných korozních defektů na dlouhodobě exponovaných mostech z patinujících ocelí je možné pouze na základě souhrnu výsledků řady hodnocení:

• vizuální hodnocení a měření tloušťky korozních produktů,
• měření zbytkové tloušťky oceli v místech s nepříznivým vývojem patiny,
• statické posouzení vlivu zjištěných korozních úbytků na únosnost a životnost mostu,
• spolehlivé zajištění údržby a odstranění hlavních konstrukčních nebo provozních příčin, které vedou ke vzniku korozních defektů.

Výsledky provedených zkoušek i hodnocení reálných konstrukcí spolu s analýzou metod pro predikci korozní rychlosti patinující oceli a verifikací jednotlivých metod na základě vytvořené databáze korozních a environmentálních údajů z předchozích zkušebních programů a aktuálně získaných ročních korozních údajů jsou podkladem pro vytvoření softwaru pro predikci korozní rychlosti patinující oceli na území ČR a jejího mapového vyjádření. Software vychází z aktualizované rovnice znehodnocení pro roční korozní úbytky patinující oceli a následně pro odhad dlouhodobých korozních úbytků je využita rovnice podle připravované ČSN ISO 9224, kde jsou na základě publikovaných korozních výsledků a výsledků prohlídek dlouhodobě exponovaných konstrukcí upraveny predikční modely pro jednotlivé typické plochy mostních konstrukcí. Software bude dostupný na www.atmofix.cz.

Výsledky jsou též podkladem pro zkvalitnění inspekční činnosti u objektů, zejména ocelových konstrukcí z patinující oceli. Výsledky umožní doplnit, modernizovat a sjednotit různé stávající směrnice nebo technické podmínky, dosud používané pro navrhování, výrobu a údržbu nosných konstrukcí a mostů z patinujících ocelí v České republice. Tato modernizovaná směrnice je jedním z výstupů projektu a je dostupná na www.atmofix.cz.

Na www.atmofix.cz jsou zveřejněny všechny příspěvky a prezentace výsledků projektu z různých národních i mezinárodních konferencí. Výsledky projektu byly prezentovány na semináři dne 23. 11. 2010 od 9.30 v sále NA2 v Aule VŠB – TU Ostrava. Tento příspěvek byl zpracován v rámci řešení projektu MPO – FT-TA5/076 „Výzkum vlastností stávajících a nově vyvíjených patinujících ocelí z hlediska jejich využití pro ocelové konstrukce“.

Příspěvek byl prezentován na konferenci KONSTRUKCE 2010.

LITERATURA:
[1] Rozlívka, L.: Nosné konstrukce z patinujících a vysokopevnostních ocelí, Technický zpravodaj Ocelové Konstrukce, 1988, roč. 24, č. 5, s. 3 – 29, ISSN 0322-7871
[2] Albrecht, P., Naem, A. R.: Performance ofweathering steel in bridges, Cooperative highway research program, Report 272, 1984
[3] Křivý, V., Rozlívka, L., Kreislová, K.: Zkušenosti a poznatky z chování dlouhodobě exponovaných mostů z patinujících ocelí v České republice, sborník 22. konference Ocelové konstrukce a mosty 2009, 23. – 25. 10. 2009, Brno, ISBN 978-80-7204-635-5, s. 151
[4] Konečný, V., Nečesal, P., Křižan, L.: Využití oceli ATMOFIX u silničních ocelobetonových mostů, sborník XII. konference ocelové konstrukce, Karlova Studánka 2010, str. 188–195, ISBN 978-80-86604-49-7
[5] Žáček O., Liška M., Kovář R., Kreislová K., Modified Alloying Concepts Of Weathering Steels. Hutnické Listy, str. 33–37, 4, LXII (2009), ISSN 0018-8069
[6] Žáček O., Liška M., Kovář R., Kreislová K.: Vývoj nových konstrukčních patinujících ocelí. sborník XI. konference ocelové konstrukce, Karlova Studánka 2009, str. 28–40, ISBN 978-80-86604-45-9
[7] Laník T., Podjuklová J., Kreislová K., Bártek V., Hrabovská K., Šrubař P., Suchánková K., Kopaňáková S., Aplikace nátěrových systémů na konstrukce z patinujících ocelí (v tisku)
[8] Technické podmínky TP 197 Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí. Praha, 2008
[9] VN 73 1466 Nosné konstrukce z patinujících ocelí, 1995
[10] ČSN EN 10025-5 Výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí – Část 5: Technické dodací podmínky na konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi,
[11] ČSN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí
[12] ČSN EN 1993-1-1 Navrhování ocelových konstrukcí
[13] ČSN EN 1993-2 Navrhování ocelových mostů
[14] ČSN 73 2601 Provádění ocelových konstrukcí
[15] ČSN EN 1090-2 Provádění ocelových konstrukcí
[16] D. Knotková et al., Výzkum korozních vlastností nízkolegovaných ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi, zpráva SVUOM 14/78, 1978
[17] J. Gulmann, D. Knotková, V. Kučera, P. Swartling, J. Vlčková, 1985: Weathering steels in building – cases of corrosion damage and their prevention (booklet), Swedish Corrosion Institute, National Institute for Protection of Materials, Stockholm, 1985
[18] V. Kucera, P. E. Augustsson, D. Knotkova, L. Rozlivka, 2004: Experience with the use of weathering steels in constructions in Sweden and in the Czech Republic, International workshop on atmospheric corrosion and weathering steels, Sept. 2004, Cartagena de Indias (Colombia)
[19] Z. Severin, D. Knotková, R. Müller, L. Rozlívka, J. Vlčková, zpráva IOK 95-49 z revize železičního mostu z oceli Atmofix přes řeku Opavici na vlečce podniku Strojsvit Krnov, 1995
[20] Katalog závad mostních objektů PK, 2000, PONTEX
[21] D. Knotnová, J. Vlčková, Atmospheric corrosion of bolted lap joints made of weathering steels, ASTM STP 1239 Atmospheric corrosion, W.W. Kirk, H.H. Lawson (Eds.), Philadelphia, 1995, s. 114–136
[22] D. Knotková, J. Vlčková, J. Honzák, Atmospheric corrosion of weathering steels, ASTM STP 767 Atmospheric corrosion of metals, S.W. Dean, E.C. Rhea (Eds.), Baltimore, 1992, s. 7–44
[23] K. Kreislova, D. Knotkova, V. Krivy, J. Podjuklova, The effect of diffentiated exposure conditions on corrosion behaviour of weathering steel on bridges, proceeding EUROCORR 2009, Nice, France
[24] D. Knotková, K. Kreislová, L. Rozlívka, V. Křivý, J. Podjuklová, Hodnocení vrstev patin na konstrukcích z patinujících ocelí, sborník 22. konference Ocelové konstrukce a mosty 2009,
23. – 25. 10. 2009, Brno, ISBN 978-80-7204-635-5, s. 133
[25] Pošvářová, M. a Matocha, K. Hodnocení korozního poškození mostních konstrukcí vyrobených z patinujících ocelí. Silnice Železnice, 2010, r. 5, č. 2., ISSN 1801-8220

Influence of Environmental and Structural Conditions on Corrosion Behaviour of Steel Structures with Increased Resistance to Atmospheric Corrosion
Low-alloy steels with increased resistance to atmospheric corrosion (weathering steel) have been widely used for execution of various types of exterior load-bearing structures without anticorrosive surface protection anywhere in the world (the USA, Japan, Germany, France etc.) as well as in the Czech Republic for about 40 years [1–3]. Their use is quite  advantageous for a number of technical, economic, environmental and time reasons. After the execution of test structures in the 70´s of the last century in the Czech Republic, these steels quickly became widely popular and were used for large and significant constructions of bridges, buildings, towers, and in particular for a number of major highway bridges [4]. The vast majority of bridges of weathering steel were manufactured in Vítkovice Bridge building shops in Ostrava and in Frýdek-Místek. Cooperation of a number of scientific and  research organizations in the years 2008–2010 focused on solution of the project MPO-FT-TA5/076: Research on properties of existing and newly developed weathering steels in terms of their use for steel structures. The project was divided into several stages, focusing on different areas of weathering steel use, including research on the influence of modern techniques of rolling on the mechanical and corrosion properties of heavy plate of weathering steel, solution of bolted connections and efficiency of coating systems application.

Autoři

• Ing. Kreislová Kateřina PhD.
• Ing. Knotková Dagmar CSc.
• Doc. Ing. Křivý Vít PhD.
• Ing. Rozlívka Lubomír CSc.
• Doc. Ing. Podjuklová Jitka CSc., prof.h.c.
• Ing. Koukalová Alena
• Ing. Laník Tomáš