Hodnocení korozního poškození mostních konstrukcí vyrobených z patinujících ocelí

Cílem tohoto projektu bylo:

• zjistit chování ocelí při vystavení vlivu okolního prostředí,
• zjistit korozní úbytky nosných částí konstrukcí,
• vytvořit predikci dalšího vývoje chování konstrukcí,
• stanovit kritická místa konstrukcí z hlediska bezpečnosti provozu,
• doporučit opatření pro zajištění bezpečnosti provozu.

Experimentální práce byly zaměřeny na stanovení typu korozního poškozování, měření korozních úbytků a hodnocení vlastností korozních vrstev ocelových konstrukcí mostů, které byly vyrobeny v letech 1970 až 2000. Hodnoceno bylo korozní poškození jak základního materiálu, tak korozní poškození svarových spojů. Celkem bylo vybráno 16 mostních objektů, z toho devět mostů na pozemních komunikacích a lávkách a sedm železničních mostů. Podle informací od jednotlivých správců, se jedná o mostní objekty v majetku Ředitelství silnic a dálnic ČR, krajských správ, měst a SŽDC s. o. Pro výrobu těchto mostních konstrukcí byla použita ocel typu ATMOFIX B.

ÚDAJE O POUŽITÉ OCELI
Výzkumný úkol byl zaměřen na speciální typ ocelí, tzv. patinující oceli. Ocel je dle definice patinující oceli schopná vytvářet (při působení venkovské nebo městské atmosféry) na svém povrchu vrstvu korozních produktů, která brzdí nebo zpomaluje další korozní proces. Použití této oceli bylo v 80. letech minulého století významně prosazováno na výrobu stožárů, obkladů a později také pro výrobu mostních konstrukcí. V České republice byly tyto oceli vyráběny pod obchodním názvem ATMOFIX A a ATMOFIX B. Pro používání patinujících ocelí byla v České republice vydána Poradenská pomůcka TEVÚH č. 15, následně pak „Směrnice pro použití nízkolegovaných konstrukčních ocelí ATMOFIX se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi“ a v roce 1990 vnitropodniková norma firmy VÍTKOVICE a. s. Ostrava, VN 73 1466. Od roku 2008 došlo k výraznému průlomu v legislativě. Ministerstvem dopravy České republiky byly vydány technické podmínky pro navrhování, provádění, údržbu a prohlídky ocelových konstrukcí TP 197 Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí [1].

Základní informace o chemickém složení a mechanických vlastnostech pro oceli ATMOFIX A a ATMOFIX B, dodávané podle VN 73 1466, ČSN 41 5217 a ČSN 42 5127 jsou uvedeny v tab. I a tab. II

Tabulka 1 – Chemické složení patinujících ocelí ATMOFIX (VN 73 1466) [1]

Tabulka 2 – Mechanické vlastnosti plechů z patinujících ocelí ATMOFIX (VN 73 1466) [1]

VÝSLEDKY POSOUZENÍ JAKOSTI POUŽITÝCH OCELÍ
V průběhu řešení projektu bylo zjištěno, že při realizaci ocelových mostních konstrukcí byly kombinovány oceli ATMOFIX A a ATMOFIX B, což může mít zásadní vliv na integritu kritických uzlů konstrukce v průběhu plánované provozní životnosti. Ocelové mostní konstrukce jsou totiž navrhovány na provozní životnost 100 let a patinující ocel ATMOFIX A nemá výrobcem oceli garantovánu hodnotu vrubové houževnatosti při –20 °C. Celý problém ztěžuje fakt, že se jedná o provozované mostní objekty, ze kterých není možné za provozu odebírat zkušební materiál pro mechanické zkoušky prováděné na standardizovaných zkušebních tělesech. Nabízejí se pouze varianty speciálních „nedestruktivních“ odběrů malého množství zkušebního materiálu, které neovlivní integritu konstrukce a hodnocení mechanických vlastností pomocí penetračních testů.

TYPY KONSTRUKCÍ MOSTŮ A KONSTRUKČNÍ DETAILY
Při posuzování chování konstrukcí z patinujících ocelí je důležitý aspekt návrhu konstrukce a detailů, včetně svarových spojů. Nechráněná ocelová konstrukce vyrobená z patinující oceli musí svým tvarem vždy zajistit plynulý odtok vody z povrchu a musí zabránit vzniku ploch, kde se koncentrují nečistoty, spad a soli. Na povrchu ocelové konstrukce nesmí být ponechány okuje (viz obr. 1, obr. 2) [2]. Do hodnocení chování ocelí nebyly zapracovány konstrukce, které byly dodatečně v průběhu provozní životnosti opatřeny nátěrovým povlakem (viz obr. 3) [2]. Nerovnosti, převýšené svary a kouty jsou z hlediska vytváření ochranné vrstvy (dále patiny) nevhodné, (viz obr. 1) [1] [2]. Tvar ocelové konstrukce musí splňovat podmínky pro rovnoměrnou tvorbu ochranné vrstvy a pravidelné střídání doby ovlhčení a vysychání ploch. Nepříznivým faktorem pro tvorbu patiny je působení chloridů ze zimní údržby.

Na základě realizovaných prohlídek mostních objektů bylo možné konstrukce rozdělit podle vystavení vlivu klimatických změn na tři základní skupiny:

• Skupina A1 – mosty s dolní mostovkou, zcela otevřené (povrch konstrukce je otevřený dešťovým srážkám). Do této skupiny je možno zařadit lávky (viz obr. 4).
• Skupina A2 – mosty s dolní mostovkou, otevřené částečně pouze v horní části, mostovka je chráněna (povrch oceli je otevřený dešťovým srážkám, mostovka je chráněna, dochází pouze k vlivu kondenzace). Do této skupiny je možno zařadit lávky, železniční mosty, mosty pozemních komunikací (viz obr. 5).
• Skupina B – mosty s horní mostovkou (ocelová konstrukce je chráněna pod deskou, nebo mostovkou, nedochází k pravidelným cyklům zvlhčování a vysychání vlivem klimatických srážek. Povrch oceli je zvlhčován pouze pravidelnými cykly kondenzace vody na povrchu oceli – zřetelné u mostovky, popř. dolních pásnicích zdola). Do této skupiny je možno zařadit lávky, železniční mosty a mosty pozemních komunikací (viz obr. 6).

Výsledky hodnocení ochranných korozních vrstev oceli
Popis charakteru povrchu oceli
Pro podrobnější analýzu chování oceli byly zhotoveny makrofotografie jednotlivých povrchů oceli ve skupinách a tyto povrchy byly hodnoceny dvěma metodami:

• vizuální hodnocení korozní vrstvy (patiny),
• elektronomikroskopický rozbor korozní vrstvy.

Vizuální hodnocení bylo zaměřeno na hodnocení povrchu/patiny oceli z hlediska barevnosti a tvaru struktur. Elektronomikroskopický rozbor byl zaměřen na hodnocení povrchových necelistvostí zasahujících z korozní vrstvy do základního materiálu.

Z výsledků elektronomikroskopického rozboru vyplynulo, že hodnocené vrstvy jsou lokálně značně popraskané a umožňují tedy přísun vlhkosti a kyslíku k obnaženému povrchu oceli [2]. V kovové matrici těsně pod korozní vrstvou byly pozorovány korozní důlky a z nich iniciované korozní mikrotrhliny (viz obr. 7) zasahující do základního materiálu. Mikrotrhliny se zpravidla šířily podél hranic zrn. Je tedy zřejmé, že pouhé měření korozních úbytků oceli a vizuální posuzování barevnosti a struktury patiny nemůže být pro posouzení stavu mostní konstrukce dostatečné.

Na sledovaných vzorcích byly rovněž zjištěny zbytky nátěrových povlaků, které byly aplikovány na povrch oceli v průběhu životnosti konstrukce [2]. Povrchy tedy nemůžeme hodnotit jako nechráněnou patinující ocel.

VÝSLEDKY MĚŘENÍ KOROZNÍCH ÚBYTKŮ OCELI A SVARŮ
Předmětem dalšího hodnocení povrchu ocelí bylo měření korozního oslabení ocelové konstrukce v ploše (stěny hlavních nosníků, pásnice), v kritických místech (kouty s výztuhami, místa u ložisek) a u svarových spojů.

Metodika měření
Protože při dodávce jednotlivých plechů pro výrobu ocelové konstrukce dochází k odchylkám od stanovené tloušťky, pro přesné měření korozního úbytku bylo třeba měření v daném místě před 30 lety zdokumentovat. Nebylo však reálné získat skutečné měření tlouštěk plechů před 30 lety. Porovnávání tlouštěk plechů s výkresovou dokumentací by bylo velkou chybou, protože reálné odchylky mezi výrobní dokumentací a skutečností dosahují podle tloušťky plechů + (1–3) mm.

Na provozovaných mostních konstrukcích byla zvolena jiná metodika měření a vyhodnocení korozních úbytků. Provádělo se měření tloušťky plechů ve stanoveném místě v ploše (např. volná stěna hlavního nosníku), kde nebyl výskyt kritického místa a toto měření se porovnávalo s měřením v kritickém místě. Pro měření byl použit ultrazvukový přístroj KRAUTKRAMER, WM2, přesnost měření 200 μm [2]. Přesnější metodika s menší chybou měření na provozovaných mostních konstrukcích není v současnosti možná. V kritických místech a lokálních místech koutových svarů byly zjištěny korozní úbytky 3–4 mm v porovnání s plochou ocelové konstrukce [2]. Z výsledků měření vyplynulo, že kritickým místem konstrukce jsou svarové spoje, nikoliv plochy stěn hlavních nosníků a celkové oslabení konstrukce. Nejslabší místo – nosné svarové spoje typu koutových svarů, určuje životnost mostní konstrukce, a to zejména v případech krčních svarů mezi stěnou a horní/dolní pásnicí (viz obr. 8) [2]. Problémem je navíc fakt, že je obtížné a/nebo není technologicky možné tyto svarové spoje u provozovaných konstrukcí mostů opravovat [2].

ZÁVĚR
Hodnocení korozního poškození sledovaných mostních konstrukcí z patinujících ocelí není možné omezit na vizuální hodnocení povrchu oceli nebo na pouhé měření korozního zeslabení oceli, neboť elektronomikroskopický rozbor odebraných vzorků prokázal v řadě případů iniciaci korozních mikrotrhlin z korozních důlků. Celý proces zhoršují další aspekty, jako nevhodný tvar a detaily konstrukcí, dynamické namáhání konstrukce, přítomnost chloridů z posypových solí, přítomnost členitých korozních produktů na oceli, které trvale zadržují vlhkost a nečistoty a významné korozní oslabení nosných svarových spojů.

Výsledky řešení projektu prokázaly, že korozně nechráněné patinující oceli (bez nátěrového povlaku) nejsou pro používání na mostech vhodné.

Tento příspěvek byl vypracován z poskytnutých finančních prostředků v rámci řešení výzkumného projektu ministerstva dopravy v programu Bezpečná a ekonomická doprava 1F82C/012/910 „Hodnocení zbytkové životnosti hlavních ocelových částí mostních konstrukcí z ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi“.

LITERATURA:
[1] POŠVÁŘOVÁ, M.: Technické podmínky TP 197 Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí. 1. díl: monografie. Ministerstvo dopravy ČR, MOTT MACDONALD Praha, spol. s r. o., 2008, 106 s. ISBN 978-80-904172-1-2
[2] POŠVÁŘOVÁ, M.: Hodnocení zbytkové životnosti hlavních ocelových částí mostních konstrukcí z ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi. Závěrečná zpráva výzkumu. MOTT MACDONALD Praha, spol. s r. o., 12/2009, 128 s.
[3] MATOCHA, K.: Hodnocení korozního napadení 12 ks vzorků plechů ve vazbě na chemické složení a mikrostrukturu materiálu. Technická zpráva. Materiálový a metalurgický výzkum s. r. o., 2009, 181 s.

Autoři

• Ing. Pošvářová Miloslava Ph.D.
• Doc. Ing. Matocha Karel CSc.