Rizika chování patinujících ocelí použitých na mostních konstrukcích

• Foto

Výzkumný úkol programu Bezpečná a ekonomická doprava 1F82C/012/910 „HODNOCENÍ ZBYTKOVÉ ŽIVOTNOSTI HLAVNÍCH OCELOVÝCH ČÁSTÍ MOSTNÍCH KONSTRUKCÍ Z OCELÍ SE ZVÝŠENOU ODOLNOSTÍ PROTI ATMOSFÉRICKÉ KOROZI“ má za cíl:

• zjistit chování oceli při vystavení vlivu 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.

Účelem dílčí části výzkumného projektu v roce 2009 je analýza výsledků prohlídek konstrukcí, měření korozních úbytků a výsledky laboratorních zkoušek vzorků, které se týkaly strukturní analýzy ocelí. V roce 2009 byl výzkum zaměřen na provedení výběru ocelových konstrukcí mostů podle pokynů Ředitelství silnic a dálnic České republiky (Ing. Jan Hromádko). Zde se předpokládalo, že budou podrobně zmapovány povrchy ocelových konstrukcí, které byly vyrobeny v letech 1970 až 2000, včetně měření korozních úbytků a odběrů vzorků.

Celkem bylo vybráno 16 mostních objektů, z toho je devět mostů na pozemních komunikacích a lávkách a sedm je železničních mostů. Podle informací ze zdrojů správců pozemních komunikací (ŘSD ČR, krajské správy a města) a železničních mostů (SŽDC, s. o. a města) se jedná o veškeré mostní objekty, které byly vyrobeny v letech 1970 až 2000. Předpokládáme, že vzhledem k získaným výsledkům bude dále pokračováno v analýzách po roce 2009, a to ve výzkumu ocelových konstrukcí, které byly vyrobeny v letech 2000 až 2009. K rozdělení výzkumu došlo z toho důvodu, že v letech 1970 až 2000 byla pro výrobu konstrukcí mostů české produkce použita ocel typu ATMOFIX B, na rozdíl od následujících let.

ÚDAJE O POUŽITÉ OCELI
Výzkumný úkol je zaměřen na speciální typ ocelí, tzv. patinující. Oceli jsou nazývány jako patinující oceli ve veškerých předpisech, používaných do roku 2005. Od roku 2005 (vyšla norma ČSN EN 10025-5) se názvosloví rozšířilo o pojem „oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi“. Z důvodu zjednodušení názvosloví je v textu dále používán pojem „patinující oceli“. Tato ocel je dle údaje výrobce 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 významné zejména pro výrobu železničních vagónů a kontejnerů, později také pro výrobu mostů.

Oceli byly vyráběny v České republice, a to pod obchodním názvem ATMOFIX A a ATMOFIX B. Pro používání patinujících ocelí byla v ČR vydána Technicko-ekonomickým výzkumným ústavem hutního průmyslu (TEVÚH) v roce 1975 Poradenská pomůcka č. 15. V roce 1978 byla vydána „Směrnice pro použití nízkolegovaných konstrukčních ocelí ATMOFIX se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi“, v roce 1990 byla tato směrnice upřesněna vnitropodnikovou normou firmy VÍTKOVICE a. s. Ostrava, pod označením VN 73 1466 z 26. září 1990.

V roce 1995 byla tato norma revidována a s účinností od 1. dubna 1995 platila jako podniková. Norma byla uváděna jako jediné technické pravidlo nebo doporučení pro používání patinujících ocelí v České republice, v současné době je zrušena. Od roku 2008 (srpen) došlo k výraznému průlomu a rozšíření informací o patinujících ocelích. Ministerstvem dopravy České republiky byly vydány technické podmínky pro používání patinujících ocelí, TP 197 Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí [1].

Tabulka 1 – Etalon korozního poškození oceli, platný pro ČR, metodika hodnocení stupně koroze

TYPY KONSTRUKCÍ MOSTŮ A KONSTRUKČNÍ DETAILY
Nechráněná ocelová konstrukce vyrobená z patinující oceli musí svým tvarem zajistit plynulý odtok vody z povrchu a musí zabránit vzniku ploch, kde se koncentrují nečistoty, spad a soli. Nerovnosti, převýšené svary a kouty jsou z hlediska vytváření ochranné vrstvy (dále patiny) nevhodné. Tvar ocelové konstrukce musí splňovat podmínky pro rovnoměrnou tvorbu ochranné vrstvy. Současně musí být zajištěno, že na povrchu oceli dochází k pravidelným cyklům zvlhčení a vysychání, které jsou hlavní podmínkou tvorby ochranné vrstvy.

Nepříznivým faktorem pro tvorbu patiny je působení chloridů, jak bude ukázáno dále v textu článku. Na základě realizovaných prohlídek mostních objektů bylo možné pro účely výzkumu konstrukce rozdělit podle vystavení vlivu klimatických změn na tři základní skupiny: Skupina A1 – mosty s dolní mostovkou, zcela otevřené (povrch oceli je otevřený dešťovým srážkám, dochází ke zvlhčování a vysychání vlivem klimatických srážek).
Skupina A2 – mosty s dolní mostovkou, otevřené částečně pouze v horní části, mostovka je chráněna (povrch oceli je otevřen dešťovým srážkám, dochází ke zvlhčování a vysychání vlivem klimatických srážek, mostovka je chráněna, dochází pouze k vlivu kondenzace), lávky, železniční mosty, mosty pozemních komunikací.
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), železniční mosty, mosty pozemních komunikací.

Příklady jednotlivých skupin mostů jsou uvedeny na obrázku 1 až 7.

VIZUÁLNÍ HODNOCENÍ POVRCHU OCELI
USA a evropské země používají obrazový nebo popisný etalon korozního poškození patinující oceli. Etalon korozního poškození byl pro účely praktického používání v České republice sestaven v TP 197 Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí [1]. Podklady pro sestavení etalonu jsou uloženy v archivu autora tohoto článku. Výsledek korozního poškození oceli na mostních konstrukcích je tvořen vlivem atmosférických podmínek ČR, vlivem zimní údržby a zrušenou údržbou na mostních objektech (absence čištění, vliv zatékání, vliv chemického složení CHRL apod.).

Při hlavních prohlídkách mostů (revize mostů v případě železničních mostů) se stanoveným postupem do formuláře prohlídky vyhodnotí a zaznamenají dosažené stupně korozního poškození na ocelové konstrukci 1 až 5 (stupeň 1, 2, 3 je nepřípustný). Musí se posoudit všechna místa a všechny jednotlivé plochy ocelové konstrukce. Etalon korozního poškození je uveden v tabulce 1. Následná strukturní analýza Vzorku 1 však ukáže, že vizuální hodnocení povrchu oceli nemůže být rozhodně dostatečné, může být dokonce chybné.

CHOVÁNÍ MOSTŮ V PRŮBĚHU PROVOZU, VÝSLEDKY TVORBY OCHRANNÉ VRSTVY OCELI, KRITICKÁ MÍSTA Z HLEDISKA KOROZNÍHO POŠKOZENÍ
Pro vysvětlení problematiky chování mostů v průběhu provozu bylo zvoleno rozdělení mostních objektů do skupin A1, A2 a B a dalších podskupin podle vlivu chloridů. Příklad, jak výzkum probíhal, je ukázán na následujícím objektu lávky. Lávka byla zařazena do skupiny A1-0, podskupiny bez vlivu chloridů.

SKUPINA A1-0, PODSKUPINA BEZ VLIVU CHLORIDŮ
Ve skupině A1 se jedná o mosty s dolní mostovkou, zcela otevřené (povrch oceli je otevřen dešťovým srážkám, dochází ke zvlhčování a vysychání vlivem klimatických srážek). Zde není zjištěn vliv chloridů, konstrukce nebyla po celou dobu životnosti udržována, ani opatřena povlakem protikorozní ochrany, viz obrázek 8. Ocelová konstrukce mostního objektu je umístěna nad vodní nádrží, která slouží jako zdroj pitné vody, v celém objektu je zákaz používání posypových solí, objekt je oplocen.

Tabulka 2 – Chemické složení patinujících ocelí ATMOFIX (VN 73 1466) [2], [3]

ROZPIS ZJIŠTĚNÝCH STRUKTUR POVRCHU OCELI
Pro podrobnější analýzu chování oceli byly vyhotoveny detailní fotografie jejího povrchu (obr. 9). Již při bližším pohledu je zřejmé, že přestože je konstrukce vystavena vlivu povětrnosti ze všech stran mostního objektu, není povrch oceli stejný. Použitá ocel je podle podkladů získaných v archivu VÚHŽ Dobrá, a. s. ATMOFIX B.

VIZUÁLNÍ HODNOCENÍ STRUKTURY POVRCHU OCELI
Pro účely výzkumu následovalo podrobné vizuální hodnocení povrchu oceli a následně hloubková materiálová analýza v laboratoři. Jako příklad je uvedena analýza vzorku číslo 1. Vzorek číslo 1 odpovídá jeho odběru podle obrázku 9 – horní pásnice lávky, výrazná důlková struktura, převážně plošné korozní poškození, povrch oceli nelze setřít, není výskyt žádných povrchových částic, šupinek nebo lístků, zařazení do etalonu by odpovídalo při vizuálním hodnocení do stupně 5B, mimo důlků. Výrazným problémem jinak vyhovujícího povrchu jsou důlky, až jamky, které mají průměr 2–5 mm, četnost vzdáleností od sebe do 5 mm, hloubka důlků 1–2 mm. Byl odebrán vzorek na chemické složení a strukturní analýzu oceli.

CHEMICKÉ SLOŽENÍ A STRUKTURNÍ ANALÝZA OCELI
Na základě odebraného vzorku a chemické analýzy bylo konstatováno, že vzorek neodpovídá ani oceli ATMOFIX A, ani ATMOFIX B. Chemické složení je uvedeno v tabulce 2, nízký obsah křemínku, chrómu, niklu, mědi je vyznačen. Pohled na odebraný vzorek je na obrázku 10 a obrázku 11. Mikroanalytický rozbor je zřejmý z obrázku 12.

Z výsledků mikroanalytické analýzy vyplývá, že pouhé vizuální hodnocení povrchu patinující oceli nemůže být dostatečné. Zvětšení 3.000× ukazuje, že povrch oceli obsahuje necelistvosti typu korozních trhlin, v našem případě mikrotrhlin. Mikrotrhliny byly vyplněny oxidy železa. Zjištěné mikrotrhliny na povrchu vzorku 1 a následně na dalších vzorcích byly iniciovány převážně z důlků, v našem případě se jedná pouze o lávku pro pěší z roku 1975, tedy ocelovou konstrukci s minimálním dynamickým namáháním. Mikrotrhliny však byly nalezeny i v dalších vzorcích, vždy v místech důlkového korozního poškození a vždy v případech železničních mostů. Patina nebyla v žádném ze zjištěných případu souvislá a v žádném z případů nevytvářela kompaktní, ochrannou vrstvu oceli.

ZÁVĚR
Závažnost mikroanalytické analýzy ukázala, že chování patinujících ocelí není možné zjednodušit na vizuální hodnocení povrchu oceli nebo dokonce na pouhé měření korozního zeslabení oceli. Potvrzené mikrotrhliny na povrchu oceli v pěti případech z 12 odebraných vzorků, nedostatečné chemické složení oceli, které neodpovídalo v šesti případech z 12 vzorků oceli ATMOFIX B a úplná absence kompaktní ochranné vrstvy oceli signalizuje vysokou obezřetnost v dalším užívání patinující oceli pro mosty.

Existující provozované mostní konstrukce železničních mostů pak musí být doplněny o další analýzy, a to zejména o stanovení mechanických vlastností oceli a o podrobnější analýzu mikrotrhlin a predikci jejich rozvoje s ohledem na požadovanou životnost 100 let. V současné době mostní konstrukce, obsahující mikrotrhliny dosahují životnosti pouhých 30 let. Podrobné výsledky výzkumu budou zveřejněny po skončení výzkumného projektu v roce 2010.

LITERATURA:
[1] Pošvářová, M.: Technické podmínky TP 197 Mosty a konstrukce pozemních komunikací z patinujících ocelí: monografie. Ministerstvo dopravy ČR, Mott MacDonald Praha, 2008, 106 s. ISBN 978-80-904172-1-2
[2] Pošvářová, M.: Strukturální analýza vzorků patinující oceli, rizika použití patinující oceli s ohledem na vznik trhlin. Rozpracovaná dílčí zpráva výzkumu. Mott MacDonald, 2009, 160 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.

Risk of behaviour of patinated steel used for bridge structure
Within the research project solved for the Ministry of Transport of the Czech Republic No. 1F82C/012/910 „Assessment of residual lifespan of the main steel parts of bridge structures made of steel with increased resistance against atmospheric corrosion“, in 2009 the structure analysis of patinated steel was performed by the solver of research project in cooperation with the company MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s. r. o. (MATERIAL & METALLURGICAL RESEARCH Ltd.). Material used for the production of steel bridge  structures is archived and documented as steel ATMOFIX B. The article deals with the results of structure analysis of steel and subsequent risks resulting therefrom. The results are part of partial and annual report of research project for the year 2009.

Autoři

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