Időjárásálló acélok és légköri korrózióra való tervezés

Mi az időjárásálló acél – és mi nem az

Az időjárásálló acélként alkalmazott, szándékosan ötvözött kis ötvözőtartalmú acél

Az időjárásálló acél nem egyetlen acélminőség, és nem egyszerűen festetlenül hagyott közönséges szerkezeti acél. Kis széntartalmú, kis ötvözőtartalmú acélok családját jelenti, amelyek kémiai összetételét úgy alakítják ki, hogy megváltozzon a légköri korrózió kialakulásának módja. A hagyományosan alkalmazott ötvözőelemek közé tartozik a réz, a króm, a nikkel, a foszfor, a szilícium és a mangán. Molibdént is alkalmazhatnak, miközben kutatások vizsgálták a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfémek hozzáadását is. A Federal Highway Administration 2009-es áttekintése a Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo és P elemeket az ötvözés történeti fókuszaként azonosítja.

Az időjárásálló acél feltételes légköri korrózióállóságot alakít ki, nem válik korrózióállóvá. Strong evidence

Elektrokémiai korrózióElektrokémiai korrózió Az elektrolitfilmen keresztül kapcsolt anódos fémoldódás és katódos reakciók által okozott korrózió.

Ezek az ötvözőelemek nem állítják le az elektrokémiai korróziót. Megváltoztatják a kitettség során kialakuló rozsdaréteg összetételét, szerkezetét, tapadását és áteresztőképességét. Amikor az acél nedvessé válik, az anódos területek vasat bocsátanak az elektrolitba, miközben a katódos területeken oxigénredukciós reakciók mennek végbe. Az így keletkező korróziós termékek viszonylag tömörré és jól tapadóvá válhatnak, ezáltal lelassítva a víz és az oxigén további hozzáférését. A reakciók azonban folytatódnak. Az „időjárásállóság” korróziós viselkedést ír le, nem pedig korrózióval szembeni immunitást.

A gyakori jelölések közé tartozik az ASTM A242/A242M a nagyszilárdságú, kis ötvözőtartalmú szerkezeti acélokra, az ASTM A588/A588M a fokozott légköri korrózióállóságú, nagyszilárdságú, kis ötvözőtartalmú szerkezeti acélokra, valamint az ASTM A709/A709M a hídszerkezeti acélokra. Ez utóbbi szabvány olyan időjárásálló minőségeket is tartalmaz, mint az 50W és a HPS 50W minőség, amennyiben ezt az anyagszabvány és a projekt dokumentumai előírják. Az európai időjárásálló szerkezeti acélokat az EN 10025-5 szabvány szerint jelölik; ilyen például az S355J0WP, az S355J2WP, az S355J0W és az S355J2W. Az utótag és az acélminőség számít: a kémiai határértékek, a mechanikai tulajdonságok, a hegeszthetőségre vonatkozó előírások és a szállítási állapot nem tekinthetők felcserélhetőnek pusztán azért, mert minden terméket „időjárásálló acélnak” neveznek.[1][1] Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration research publication, 2011.

Az ASTM G101 összetételalapú korróziós indexei szűrővizsgálati vagy összehasonlító eszközök, és nem helyettesíthetik a helyspecifikus expozíció és részletképzés értékelését. Limited evidence

[2][2] ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International. ASTM International standard, 2010.

Az ötvözet tehát csupán a tervezési döntés egyik része. Az ASTM G101-04(2010) módszereket biztosít a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövidebb kitettségi adatokból történő becslésére, valamint egy kis ötvözőtartalmú acél relatív légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő meghatározására. Az ilyen index szűrővizsgálati eszköz, nem pedig helyszínspecifikus tanúsítvány. A 2011-ben közzétett FHWA-kutatás szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziós indexe 6 és 7 között volt; a vizsgálat a kloridtartalmú légkörben lényegesen jobb ellenállást biztosító, legalább 9,5 körüli értékeket célzott. A kompozíció alapján számított érték nem képes teljes mértékben figyelembe venni például egy hidat, amelynek párkányán nedves törmelék halmozódik fel, vagy egy sópermet által mosott homlokzatot.

A patinaképződés és a gyárilag felhordott bevonat összehasonlítása

Az időjárásálló acél patinája a gyártást és a szerelést követően, a felületen alakul ki. Nem festék, horganyzás, termikus szórással felvitt bevonat vagy állandó vastagságú, garantált fedést biztosító, üzemben felhordott filmréteg. A kezdeti felület nedvesség jelenlétében általában viszonylag gyorsan korrodál. Az ismételt kitettség hatására a korróziós termékek összetétele és elrendeződése megváltozik, és a rozsdaréteg egy része tapadóbbá, valamint kevésbé áteresztővé válik. A szín narancssárga, vörösesbarna, sötétbarna, majdnem fekete árnyalatokon mehet keresztül, de önmagában a szín nem bizonyítja a stabilizálódás bekövetkeztét.

A National Steel Bridge Alliance 2010-ben kiadott alapozó útmutatója szerint a védőpatina kialakulásához ismétlődő nedvesedésre és száradásra van szükség. Ez a követelmény alapvető jelentőségű. Az esőt követő száradás más rozsdaréteg kialakulását segítheti elő, mint a folyamatos páralecsapódás, a pangó víz vagy egy soha ki nem száradó, vízelvezetés nélküli rés által létrehozott körülmények. Az esőtől védett felület a kívánt ciklus kialakulása helyett szennyezett és nedves maradhat. Ezzel szemben a gyakori eső általi lemosás sem garantálja a védelmet, ha a lerakódások kloridokat vagy savas szennyezőanyagokat tartanak vissza.

A patinaképződés időt is igényel, időtartama pedig az éghajlattól, a tájolástól, az acél kémiai összetételétől, a felület állapotától és a szennyezőanyag-terheléstől függ. A reve, a gyártási maradványok, a hegesztési fröcskölés és az olajok helyi különbségeket okozhatnak a nedvesedésben és a korrózióban. A szomszédos betonon, kövön vagy bevonatos acélon megjelenő rozsdafoltok külön tervezési problémát jelentenek: még korlátozott fémveszteség mellett is maradandó esztétikai károsodást okozhat a lefolyó víz. A gyári bevonat folytonossága ellenőrizhető, száraz rétegvastagsága előírható, a meghatározott hibák pedig javíthatók. A patina nem fogadható el ugyanezen feltételezések alapján. Egyenetlenül alakul ki, minden csomópont és vízelvezetés hatással van rá, továbbá tisztítás, kopás vagy későbbi javítások megzavarhatják.

[3][3] Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. Steel Construction Institute. SCI Guidance Note 1.07, 2015.

A tervezőknek különbséget kell tenniük a stabil, szabadon kitett felület és a rés között is. A csavarozott átlapolások, a merevítők keskeny hézagai, a zárt szelvényű részletek, a toldólemezek, a felfekvési helyek és az alsó, bemélyedő zsebek vizet és törmeléket tarthatnak vissza. A Steel Construction Institute által 2015-ben kiadott SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezetet, a nagy klorid- vagy sópermet-terhelést, a koncentrált ipari füstgázokat és a földbe temetett körülményeket a bevonat nélküli időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozottan alkalmazható felhasználási területei közé sorolja. Ezek a körülmények megakadályozhatják, hogy a felület alacsonyabb korróziós sebességű állapotot érjen el, illetve jelentős helyi károsodást okozhatnak még tetszetős általános szín kialakulása mellett is.

A légköri korrózióállóság és a korrózióval szembeni immunitás összehasonlítása[4][4] ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Organization for Standardization. International Standard, 2012.

A „fokozott légköri korrózióállóság” feltételes teljesítményállítás. Nem jelenti azt, hogy az acél minden kültéri kitettség esetén megfelelő, és azt sem, hogy a vastagságveszteség elhanyagolhatóvá válik. Az ISO 9223:2012 szabvány a légköri korrozivitást szabványos próbatestek első éves korróziós sebessége alapján osztályozza, és a hőmérséklet–páratartalom hatását, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben található sótartalmat tekinti fő tényezőnek. Az osztályozás a légkört írja le; nem teszi az időjárásálló acélminőséget általánosan biztonságos anyaggá.[5][5] Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration guidance, 2003.

Ugyanez a különbségtétel érvényes a projekt kiválasztására is. A 2003-as FHWA-útmutató előírja a nedvesedési idő, a kloridterhelés, az ipari szennyezőanyagok, a vízelvezetés, a geometria és a karbantartás helyszínspecifikus mérlegelését, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acélt választanának. Egy száraz, belső területen fekvő, szabad vízelvezetéssel rendelkező helyszín elősegítheti a kívánt korróziós viselkedést. Egy sóval terhelt permetnek kitett tengerparti szerkezet, egy olyan úttest feletti szerkezet, amelyre a jégmentesítéshez használt sóoldatot ráfújja a szél, vagy egy koncentrált füstgázokkal terhelt ipari terület azonban nem feltétlenül alkalmas. A patinaképződéshez ismétlődő nedvesedés szükséges, de a kloridtartalmú nedvesedés és a tartós nyirkosság aktívan tarthatja a korróziót, és elősegítheti a lyukkorrózió kialakulását.

A lyukkorróziót a hivatkozott AASHTO-kezelés úgy veszi figyelembe, hogy a sima, bevonat nélküli időjárásálló acél alapalapanyagához a hasonló, nem időjárásálló acélnál egy kategóriával alacsonyabb fáradási osztályt rendel. Strong evidence

[6][6] Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration handbook, 2016.

A lyukkorrózió szerkezeti szempontból is jelentős, nem csupán esztétikai probléma. Az FHWA fáradási útmutatója kifejti, hogy az időjárásálló acél váltakozó nedves és száraz ciklusok révén alakítja ki patináját, ugyanakkor arról is beszámol, hogy az AASHTO a bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagát a hasonló, nem időjárásálló acélnál egy kategóriával alacsonyabb fáradási osztályba sorolja a lyukkorrózió miatt. Ez a megengedés azt ismeri el, hogy a helyi korrózió feszültségkoncentrációkat hozhat létre akkor is, ha az átlagos keresztmetszet-veszteség csekélynek tűnik. Ezért a fáradási ellenőrzéseknek, a hegesztett részleteknek, az ellenőrzés hozzáférhetőségének és a korróziós ráhagyásoknak továbbra is a szerkezeti tervezés részét kell képezniük.

A helyes leírás egyszerű: a bevonat nélküli időjárásálló acélfelület szabályozott korróziós rendszer. Az ötvözet kémiai összetétele megfelelő légköri kitettség esetén elősegítheti védőbb rozsdaréteg kialakulását, de ennek a lehetőségnek a megvalósulását a vízelvezetés, a szellőzés, a csomópontok geometriája, a szennyezőanyagok, a kloridok ellenőrzése, az ellenőrzés és a karbantartás határozza meg. Ez időjárásálló acél – nem korrózióálló acél, és nem olyan acél, amelyet a gyár már eleve állandó bevonattal szállít.

A légköri korróziós környezet

Az időjárásálló acél nem immunis a légköri korrózióval szemben. Alacsony széntartalmú, gyengén ötvözött acél, amelyet úgy alakítottak ki, hogy viszonylag tömör és jól tapadó rozsdaréteget hozzon létre, amikor a kitettség lehetővé teszi, hogy a korróziós termékek kialakuljanak, megszáradjanak és átrendeződjenek anélkül, hogy ismételten lemosódnának vagy folyamatosan nedvesek maradnának. A réz, a króm, a nikkel, a foszfor, a szilícium és más ötvözőelemek módosítják az elektrokémiai reakciókat és a rozsda szerkezetét, a kémiai összetétel azonban nem képes minden kitettségi körülményt ellensúlyozni.

Az ISO 9223:2012 biztosítja a légköri korrozivitás leírásának alapvető keretrendszerét. A szabvány a szabványos próbatesteken mért első éves korróziós sebességek alapján osztályozza a környezeteket, és három meghatározó hatást különböztet meg: a hőmérséklet–páratartalom viszonyait, a kén-dioxid okozta szennyezést és a levegőben szálló sóterhelést. Ezek a tényezők kölcsönhatásba lépnek az acél felületével. Ezért ugyanaz a névleges acélminőség eltérő korróziós sebességet, rozsdaszínt, lyukkorróziós mélységet és patinaképződést mutathat szárazföldi vidéki környezetben, árapályos torkolat mellett, ipari kibocsátási felhő alatt vagy egy védett hídrészlet belsejében.

A különbség a tervezés során jelentős. Egy tiszta levegőben, szabad vízelvezetéssel és rendszeres száradással rendelkező időjárásálló acélból készült tartó stabil, védő réteget alakíthat ki. Egy névlegesen azonos tartó azonban egy szivárgó pályalemez-csatlakozás alatt a résnél továbbra is aktívan korrodálhat, miközben a kitett felületek már érettnek tűnnek. A légköri osztályozás kiindulópont, nem pedig az adott helyszín és a nedvesség visszatartását meghatározó geometria vizsgálatának helyettesítője.

A nedvesedési idő és az ismétlődő nedvesedési–száradási ciklusok

Nedvesedési időNedvesedési idő Az az időszak, amely alatt a fémfelületet olyan, kellően vezetőképes nedvességfilm borítja, amely lehetővé teszi a légköri korróziót.

Az elektrokémiai korrózióhoz elektrolit szükséges. Az eső, a köd, a harmat, a kondenzáció és a lerakódott sók biztosítják ezt az elektrolitot az acél felületén. Azt az időszakot, amely alatt kellően vezetőképes felületi film marad fenn, általában nedvesedési időnek nevezik. A hosszabb nedves időszakok rendszerint nagyobb anódos fémoldódást és katódos oxigénredukciót tesznek lehetővé, bár az összefüggés nem egyszerűen az idő múlásától függ: a sókoncentráció, a hőmérséklet, az oxigénellátás, a felületi szennyeződés és a rozsdaréteg áteresztőképessége szintén változik a kitettség során.

Az ismétlődő nedvesedés és száradás szükséges környezeti feltétel a védőpatina kialakulásához. Strong evidence

A száradás nem pusztán a korrózió szünetelését jelenti. Az időjárásálló acél esetében a váltakozó nedves és száraz időszakok elősegítik, hogy a kezdetben laza korróziós termékek tapadósabbá és kevésbé áteresztő patinaréteggé alakuljanak. A National Steel Bridge Alliance 2010-ben közzétett útmutatója szerint a védő patina kialakulásához ismétlődő nedvesedésre és száradásra van szükség. Nedvesedéskor a vas oldódik, és a korróziós termékek kicsapódnak; száradáskor a rozsdaréteg összehúzódik, tovább oxidálódik és tömörebbé válhat. Az ismétlődő ciklusok fokozatosan csökkenthetik a víz és az oxigén acélhoz jutásának sebességét.

Ez a folyamat meghiúsul, ha a víz megreked. Egy vízszintes perem, szoros átfedés, eltömődött vízelvezető, merevítőlemez-vég, csavarzseb vagy zárt rés akkor is nedves maradhat, amikor a környező felületek már megszáradtak. Az így kialakuló differenciális levegőztetési cella helyi korróziót okozhat, miközben a kloridlerakódások növelik az elektrolit vezetőképességét. A lefolyóvíz vasban gazdag vizet is szállíthat betonra, burkolatokra vagy építészeti felületekre, és ezáltal elszíneződést okozhat még akkor is, ha a keresztmetszet-veszteség mérsékelt.

Ezért a kitettség története önmagában fontosabb, mint az éves csapadékmennyiség. A száradással követett rövid, gyakori esőzések elősegíthetik a patinaképződést. A hosszú ideig fennálló nedvesség fenntarthatja az aktív korróziót. A ciklikus sólerakódás és párolgás különösen káros lehet, mivel a párolgás a kloridokat a felületen feldúsítja, a következő párás időszak pedig újra aktiválja a koncentrált elektrolitot.

A 2003-ban közzétett FHWA-útmutató előírja a nedvesedési idő, a kloridkitettség, az ipari szennyezőanyagok, a vízelvezetés, a geometria és a karbantartás helyszínspecifikus értékelését, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acél alkalmazásáról döntenének. Ez a követelmény gyakorlati, nem pedig bürokratikus jellegű. Egy száraz, szárazföldi éghajlaton álló híd is tartalmazhat folyamatosan nedves mikroklímájú területeket, miközben egy nedves, tengerparti szerkezet kitett felületei gyorsan megszáradhatnak, védett csatlakozásai azonban nem.

Hőmérséklet, páratartalom és kondenzáció

A relatív páratartalom befolyásolja, hogy fennmaradhat-e a felületi film. Amikor a levegő a harmatpontja felé hűl, víz kondenzálódik az acélon akkor is, ha nem hullott eső. Gyakori ok az éjszakai lehűlés, az árnyékos felületek, a zárt dobozszelvények, valamint a meleg, párás levegő alatt lévő hideg fémszerkezet. Ezért egy olyan helyen is sok órán át nedves lehet a felület, ahol mérhető csapadék alig fordul elő.

A hőmérséklet mind a reakciósebességeket, mind a víz párolgását módosítja. A magasabb hőmérséklet gyakran felgyorsítja az elektrokémiai reakciókat, ugyanakkor a párolgás fokozásával lerövidítheti a nedvesedés időtartamát. A harmatpont közelében már csekély hőmérséklet-változás is kondenzációt okozhat, és meghosszabbíthatja az elektrolit jelenlétének időtartamát. A hőmérséklet emellett az oxigén oldhatóságát, a sók kristályosodását, a rozsdában végbemenő átalakulásokat, valamint a felületi filmek viszkozitását és mozgékonyságát is módosítja. Az ISO 9223:2012 ezeket a hatásokat a hőmérséklet–páratartalom együttes befolyásán keresztül csoportosítja, és nem kezeli a páratartalmat a korróziós sebesség önálló garanciájaként.

A páratartalom jelentősége megnő, ha oldható szennyezőanyagok vannak jelen. A higroszkópos sók olyan relatív páratartalom mellett is képesek vizet felvenni a levegőből, amelynél a tiszta acél még száraz maradna. A nátrium-kloridot, magnézium-kloridot vagy kalcium-kloridot hordozó felület így ismétlődő párás időszakokban is elektrolitikusan aktív maradhat. A por és az ipari lerakódások hasonló hatást fejthetnek ki, különösen akkor, ha vízszintes vagy védett felületeken halmozódnak fel.

A patinaképződés ettől az egyensúlytól függ. Bizonyos mennyiségű nedvesség szükséges a rozsdaréteget létrehozó korróziós reakciók beindításához és fenntartásához. A túlzott vagy tartós nedvesség megakadályozza a réteg kiszáradását, és a pórusokat, illetve repedéseket elektrokémiailag aktív állapotban tarthatja. A nem megfelelő szellőzés a párolgás lassításával súlyosbítja a helyzetet. A Steel Construction Institute által 2015-ben kiadott SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezeteket a bevonat nélküli időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazási területei közé sorolja, a nagy klorid- vagy sópermet-terheléssel, a koncentrált ipari füstgázokkal és a földbe ágyazott körülményekkel együtt.

Az ötvözet kémiai összetétele továbbra is fontos. Az időjárásálló acélok korai változataiban mangánt, szilíciumot, krómot, nikkelt, rezet, molibdént és foszfort alkalmaztak a korróziós termékek és azok tapadásának befolyásolására. A 2009-ben közzétett FHWA-kutatás a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfémek hozzáadását is vizsgálta. Egy ötvözőelem hozzáadása azonban nem képes megszüntetni a kondenzációt egy dobozszelvényben, és nem vezeti el a vizet egy vízcsapdából. A környezet és a részletképzés továbbra is összekapcsolódik.

Kén-dioxid, kloridok és a levegőben szálló sóterhelés

A kén-dioxid azért jelentős, mert feloldódik a felületi nedvességben, és kénessavas, majd oxidáció után kénsavas vegyületeket képez. Ezek a savas filmek növelik a vezetőképességet, és megzavarhatják a rozsdaréteg stabilizálódását. Az ipari tüzelésből származó források korábban súlyos kén-dioxid-terhelésű környezeteket hoztak létre, a kibocsátások azonban régiónként és forrásonként jelentősen eltérnek. Egy finomító, kohó, erőmű vagy sűrű forgalmú közlekedési folyosó közelében lévő acélfelület olyan szennyezőanyag-terhelést kaphat, amely jelentősen különbözik a közeli vidéki mérőállomáson mért értéktől.

A kloridok gyakran tartósabb és helyileg súlyosabb hatást fejtenek ki. A tengeri permet, a megtörő hullámok, a szél által szállított tengeri aeroszol, a jégmentesítő sók és a szennyezett lefolyóvíz kloridionokat rak le az acélon. A kloridok behatolnak a rozsda pórusaiba és hibáiba, elősegítik a helyi anódos oldódást, és kevésbé teszik védő hatásúvá a száradást, mivel a higroszkópos maradványok újra nedvességet vesznek fel. A lerakódást a szélirány, a magasság, a partvonaltól való távolság, a fröccsenésnek való kitettség és az eső általi lemosás egyaránt befolyásolja. A „tengerparti” megjelölés önmagában nem elegendő a kitettség leírására; egy sót gyűjtő, védett részlet agresszívebb környezetet jelenthet, mint egy teljesen kitett felület a tengertől távolabb.

Az ISO 9223:2012 a levegőben szálló sóterhelést a korrozivitás egyik fő tényezőjeként kezeli, a helyszín értékelése során pedig mind a lerakódást, mind a visszatartást figyelembe kell venni. Az FHWA 2011-ben közzétett, továbbfejlesztett korrózióálló acélokkal foglalkozó kutatása szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziósindex-értéke 6 és 7 között volt, miközben a kutatás célja a kloridtartalmú atmoszférákban lényegesen javított ellenállás érdekében a legalább körülbelül 9,5-es értékek elérése volt. Az ASTM G101-04(2010) módszereket biztosít a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövid idejű kitettségi adatokból történő becslésére, valamint az alacsonyan ötvözött acél relatív légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő becslésére; az összetételből számított indexet azonban nem változtatja korrózióval szembeni immunitássá.

A szennyezőanyagok és a sók a szerkezeti következményeket is befolyásolják. A lyukkorrózió feszültségkoncentrációkat hoz létre, az FHWA kifáradással kapcsolatos útmutatója pedig kifejti, hogy az AASHTO a bevonat nélküli, időjárásálló acélból készült alapanyagot a hasonló, nem időjárásálló acélnál egy kifáradási kategóriával alacsonyabb osztályba sorolja a lyukkorrózió miatt. A légköri korrózió tervezésének ezért össze kell kapcsolnia az ISO 9223 szerinti kitettséget, az ASTM G101 összetételalapú becsléseit, a vízelvezetést és a vizsgálathoz való hozzáférést a kifáradási részletekkel. A névlegesen azonos acél nem egyetlen atmoszférának van kitéve. Tényleges korróziós környezetét az éghajlat, a lerakódások, a nedvesedési előzmények és a szerkezet minden négyzetméterén érvényesülő geometria együttesen határozza meg.

Hogyan alakul ki az időjárásálló acél patinája?

Az időjárásálló acél nem korrózióálló felülettel érkezik. Légköri ellenállása az expozíció során alakul ki, és az eredmény az acél kémiai összetételétől, a környező levegőtől, valamint attól függ, hogyan jut a víz a felületre, illetve hogyan távozik onnan. Az olyan minőségek, mint az ASTM A588, valamint az ASTM A709 szabványban meghatározott időjárásállóacél-minőségek, kis széntartalmú, gyengén ötvözött acélok, amelyek szándékosan hozzáadott ötvözőelemeket tartalmaznak a korróziós termékek képződésének módosítására. A hagyományos összetételek elsősorban Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo és P hozzáadására épülnek; a Federal Highway Administration kutatásai a W, Ti, Al és ritkaföldfémek hozzáadását is vizsgálták.

Ezek az elemek nem állítják le a légköri korróziót alkotó anódos és katódos reakciókat. Megfelelő expozíció esetén azonban befolyásolják, hogy mely oxidok és oxihidroxidok képződnek, milyen tömören alakul ki a rozsdaréteg, és mennyire erősen marad a szubsztráthoz tapadva. A patina ezért fejlődő korróziós termék, nem felhordott bevonat, és nem jelent garanciát a tartós védelemre.

A kezdeti korrózió és a rozsdaréteg átalakulása

A frissen gyártott felületen rendszerint reve, üzemi szennyeződés, termikus vágásból származó oxid, illetve a kezelés és a szerelés során visszamaradt anyagok találhatók. Amint a nedvesség folytonos vagy részben folytonos elektrolitot képez a kitett acélon, a helyi anódos területek vasionokat bocsátanak ki:

$$\mathrm{Fe}\to {\mathrm{Fe}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$$

A katódos reakciók oxigént és vizet fogyasztanak, miközben hidroxidionok képződnek. A korai termékek közé rendezetlen szerkezetű vas-oxihidroxidok és hidratált oxidok tartoznak. Megjelenésük az élénk narancssárgától vagy sárgásbarnától a sötétebb vörösesbarnáig, egyes expozíciók esetén pedig csaknem fekete területekig változhat. A szín nem megbízható mérőszáma a védelemnek. Sötét felület alatt a lerakódások alatt továbbra is aktív lyukkorrózió alakulhat ki, míg egy világosabb réteg olyan részeket is tartalmazhat, amelyek viszonylag jól tapadnak.

Az expozíció folytatódásával a kezdeti rozsda ismételten feloldódik, újrakicsapódik, dehidratálódik és átrendeződik. A gyakori korróziós termékek közé tartozik a lepidokrokit, amelyet gyakran γ-FeOOH formában írnak fel, a goethit, α-FeOOH, valamint a magnetit, Fe₃O₄. Arányuk és fizikai elrendeződésük a nedvesedés időtartamától, az oxigén hozzáférhetőségétől, a szennyezőanyagoktól, a hőmérséklettől és az acél ötvözőtartalmától függően változik. Az időjárásálló acél ötvözőelemei elősegíthetik a közönséges szerkezeti szénacélon kialakulónál finomabb és tömörebb korróziós réteg létrejöttét, de nem képesek minden helyszínen ugyanazt az ásványi szerkezetet kialakítani.

PatinastabilizációPatinastabilizáció Olyan állapot, amelyben a rozsdaréteg és a környezet egy meghatározott időszak alatt viszonylag állandó, rendszerint alacsonyabb korróziós sebességet eredményez; ez nem jelenti azt, hogy a korrózió megszűnt.

A különbség az acélfelületen jelentős. A laza, repedezett vagy rosszul tapadó réteg lehetővé teszi, hogy a víz és az oxigén ismételten elérje a friss fémet. A tömörebb réteg korlátozza az anyagtranszportot, és csökkenti a könnyen hozzáférhető fém területét, ezért a korrózió sebessége mérséklődhet. Ez a reakciófeltételek megváltozása, nem pedig a felület átalakulása áthatolhatatlan gáttá. Repedések, ütési sérülések, vágott élek, rések, valamint a felhalmozódott szennyeződések alatti területek akkor is tovább korrodálhatnak, amikor a szomszédos nagy, összefüggő felületek már érettnek tűnnek.

Az ASTM G101-04(2010) ezt az időfüggő viselkedést tükrözi azáltal, hogy módszereket biztosít a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövidebb expozíciós adatokból történő becslésére, valamint a gyengén ötvözött acél légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő relatív becslésére. Alkalmazása nem teszi szükségtelenné az expozícióra jellemző szakmai megítélést. A kémiai összetétel jelezhet egy tendenciát, de önmagában nem képes figyelembe venni egy szivárgó kötést, egy kloridlerakódást vagy egy tartósan nedves alsó felületet.

Váltakozó nedves és száraz expozíció

A patina ismétlődő folyamat során alakul ki. Nedves időszakban az eső, a páralecsapódás, a permet vagy a lerakódott nedvesség elektrolitot hoz létre. Az ionmozgás és az oxigénredukció elősegíti a korróziót, miközben az oldható vaskomponensek a nedves rétegen keresztül vándorolhatnak. Száradáskor a párolgás növeli a visszamaradó sók koncentrációját, és megváltoztatja az oxigén hozzáférhetőségét. Egyes termékek a pórusokban és a hibákban csapódnak ki, másokat a víz lemos. Ez az ismétlődő oldódás és kicsapódás megfelelő expozíció esetén elősegíti, hogy a kezdetben laza rozsdalerakódás rendezettebb réteggé alakuljon.

A „váltakozó” szó fontos. A folyamatosan nedves felület nem megy keresztül ugyanazokon a száradási szakaszokon, amelyek elősegítik a korróziós réteg tömörödését. A SteelConstruction Institute Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos körülményeket, a magas klorid- vagy sópermet-expozíciót, a koncentrált ipari gázokat, valamint a földdel érintkező körülményeket a bevonat nélküli, időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazásai közé sorolja. A National Steel Bridge Alliance szintén kijelenti, hogy a védőpatina kialakulásához ismétlődő nedvesedésre és száradásra van szükség.

A száradás nem jelenti azt, hogy a korrózió véglegesen leáll. A pórusokban, kötésekben és érdes területeken vékony nedvességfilmek maradhatnak vissza azt követően is, hogy egy felület száraznak látszik. A kloridok magukhoz vonzhatják a nedvességet, és meghosszabbíthatják a nedves állapot időtartamát, így a korrózió a tiszta felülethez képest alacsonyabb relatív páratartalom mellett is újraindulhat. A kén-dioxid és más ipari szennyezőanyagok savasíthatják a felületi nedvességet, illetve olyan lerakódásokat képezhetnek, amelyek megváltoztatják a korróziós reakciókat. Az ISO 9223:2012 a légköri korrozivitást szabványos próbatestek első éves korróziós sebessége alapján osztályozza, és a hőmérséklet-páratartalom hatásait, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben szálló sótartalmat nevezi meg fő környezeti tényezőkként. Ezek a változók segítenek megmagyarázni, hogy ugyanazon anyagjelölésből készült két szerkezet miért alakíthat ki láthatóan eltérő rozsdarétegeket.

A geometria éppúgy szabályozza a nedves-száraz ciklust, mint az éghajlat. A vízszintes párkányok, toldólemezek, merevítőlemezek közötti rések, csavarkötések és részlegesen lezárt üregek vizet és üledéket tarthatnak vissza. Egy védett felület lassan száradhat, míg a szélnek kitett felületet rövid esőzések és gyors párolgás érhetik. Az egyik acélfelületről lefolyó víz vasban gazdag vizet vihet egy másikra, ami elszíneződést okozhat anélkül, hogy szükségszerűen azonos mértékű védelmet biztosítana. A betonról, horganyzott alkatrészekről vagy szennyezett felületekről lefolyó víz szintén olyan anyagokat juttathat a felületre, amelyek módosítják a helyi korróziót.

Az FHWA iránymutatásai ezért megkövetelik a nedvesedési idő, a klorid-expozíció, az ipari szennyezőanyagok, a vízelvezetés, a geometria és a karbantartás értékelését, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acélt választanának. Egy jól víztelenített hídtartón kialakult patináról nem feltételezhető, hogy ugyanúgy alakul ki egy szivárgó pályalemez-kapcsolat alatt vagy egy törmelékkel telt csomópont belsejében.

A patina stabilizálódása és az állandósult korrózió

A „stabilizálódott” nem jelenti azt, hogy a korrózió véget ért. Olyan állapotot ír le, amelyben a rozsdaréteg és a környezet egy meghatározott időszakban viszonylag állandó, rendszerint alacsonyabb korróziós sebességet eredményez. A réteg tovább vastagodhat, repedezhet, tömörödhet és ásványi formája is változhat, miközben az átlagos fémveszteség egy állandósult tendenciához közelít. A stabilizálódás időtartama nem egyetemes érték. Az ötvözet kémiai összetételétől, a felület-előkészítéstől, a tájolástól, a csapadéktól, a páratartalomtól, a szennyezéstől, a sótartalomtól, a hőmérséklettől, a vízelvezetéstől, valamint a nedvesedés és száradás gyakoriságától függően változik.

A légköri korrózióval foglalkozó áttekintések különösen fontosnak tartják a stabilizálódási idők és az állandósult korróziós sebességek megkülönböztetését. A rövid idejű expozíciók a kezdeti, agresszív szakaszt rögzíthetik, még azelőtt, hogy a rozsdaréteg átrendeződött volna. Egybeeshetnek továbbá szokatlanul nedves évszakkal vagy átmeneti szennyezőanyag-eseménnyel. A hosszú távú előrejelzési modelleknek ezért el kell különíteniük az átmeneti korróziót a későbbi sebességtől, és meg kell adniuk azokat az expozíciós feltételeket, amelyektől az előrejelzés függ. Az ASTM G101-04(2010) becslési módszereket biztosít, azonban a helyszíni vizsgálat továbbra is szükséges ott, ahol a veszteség alábecslésének súlyos következményei lehetnek.

Az ötvözet összetétele részben meghatározza az elérhető teljesítmény felső határát. Az FHWA 2011-es, továbbfejlesztett korrózióálló acélokkal foglalkozó kutatása szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziósindex-értéke 6 és 7 között volt, miközben a kutatás kloridtartalmú légkörben lényegesen jobb ellenállás elérése érdekében legalább megközelítőleg 9,5-es értékeket célzott. Ez az eredmény nem határoz meg helyszíntől független élettartamot; azt mutatja, miért fontosak az összetételen alapuló indexek és a klorid-specifikus vizsgálatok.

Az érettnek tűnő patina sem mentesíti a szerkezetet a tervezési kötelezettségek alól. A lyukkorrózió helyi keresztmetszet-csökkenést és feszültségkoncentrációkat okoz. Az FHWA kifáradással kapcsolatos iránymutatása szerint az AASHTO a bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagát a vele összehasonlítható, nem időjárásálló acélnál egy kifáradási kategóriával alacsonyabbra sorolja a lyukkorrózió miatt. Az ellenőrzésnek ezért ki kell terjednie a vízcsapdákra, résekre, élekre, kötőelemzónákra, valamint azokra a területekre, ahol rozsdapikkely vagy törmelék rejti el az acélt. Ha a nedvesedés folyamatos marad, a kloridok felhalmozódnak vagy a vízelvezetés elégtelen, előfordulhat, hogy a várt alacsonyabb állandósult korróziós sebesség soha nem alakul ki. A patina csak az egymással összeegyeztethető kémiai összetétel, expozíció és szerkezeti kialakítás feltételes eredményeként nyújt védelmet — nem automatikus, tartós bevonatként.

Az Ötvözet Kémiája és a Korróziós Mechanizmusok

Az időjárásálló acél alacsony széntartalmú, gyengén ötvözött acél, amelynek légköri viselkedése a kitettség után kialakuló rozsdarétegtől függ. Ez a réteg nem gyárilag felhordott bevonat, és nem teszi a nemesfémet korrózióval szemben immunissá. Megfelelő körülmények között a korróziós termékek viszonylag tömör, jól tapadó és kevésbé áteresztő réteggé válnak, mint a közönséges szénacélon kialakuló laza rozsda. Ennek eredménye a hosszú távú korróziós sebesség csökkenése, nem pedig a korrózió teljes megszűnése.

Az ötvözet kémiai összetétele befolyásolja e rozsdaréteg összetételét, szerkezetét és tapadását, a kémiát azonban nem lehet elkülöníteni a kitettségi körülményektől. Az ISO 9223:2012 a légköri korrozivitást szabványos próbatestek első évi korróziós sebessége alapján osztályozza, és a hőmérséklet–páratartalom viszonyokat, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben szálló sót jelöli meg fő befolyásoló tényezőként. Az az acél, amely vidéki légkörben stabilizálódik, továbbra is veszíthet keresztmetszetéből tengeri fröccsenési zónában, törmelék alatt vagy egy olyan kötés belsejében, amely tartósan nedves marad.

Hagyományos Ötvözőelemek: Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo és P

A hagyományos időjárásállóacél-megközelítés több, mérsékelt mennyiségű ötvözőadalékot kombinál ahelyett, hogy egyetlen elemre támaszkodna. Az FHWA kutatása a hagyományos összetétel fő elemeiként a mangánt (Mn), a szilíciumot (Si), a krómot (Cr), a nikkelt (Ni), a rezet (Cu), a molibdént (Mo) és a foszfort (P) írja le. Hatásuk átfed egymással az acél tisztaságán, a szegregáción, a fázisképződésen és a korróziós termékek kémiáján keresztül.

A mangán általában szilárdságnövelő és a gyártástechnológiát segítő adalékként van jelen, továbbá mangán-szulfid zárványok formájában megköti a ként. Ezek a zárványok befolyásolhatják a lokális elektrokémiai aktivitást és a lyukkorróziót, különösen akkor, ha alakjuk és eloszlásuk kedvezőtlen. A szilícium elsősorban dezoxidálóként működik, és hozzájárul a szilárdsághoz; emellett befolyásolhatja a szilícium-dioxidot tartalmazó komponenseket és a korróziós termékek tömörségét. Egyik elem önmagában nem jelzi előre, hogy egy hídtartón stabil patina alakul-e ki.

A króm tömörebb, kevésbé oldható korróziós termékekkel hozható összefüggésbe, és elősegítheti a védő oxid- vagy oxihidroxidfázisok feldúsulását az acél–rozsda határfelületen. Hatása a koncentrációtól és a kitettségtől függ. A nikkel számos időjárásálló acélösszetételben különösen fontos, mivel javíthatja a légköri korrózióval szembeni ellenállást anélkül, hogy ugyanazokat a kedvezőtlen hegeszthetőségi vagy ridegedési problémákat okozná, amelyek bizonyos más ötvözőelemek túlzott adagolását kísérhetik. Kloridokat tartalmazó körülmények között nikkeltartalmú acélokat vizsgáltak abból a szempontból, hogy képesek-e csökkenteni a lokális korróziós támadás súlyosságát és módosítani a rozsdaréteg összetételét.

A réz jellegzetes időjárásállóacél-adalék. A korrózió előrehaladtával hajlamos feldúsulni a fém–rozsda határ közelében, és elősegítheti egy jobban tapadó, kevésbé áteresztő réteg kialakulását. A réz nem akadályozza meg az oxidáció első szakaszát; a nedvesség továbbra is elindítja a vas anódos oldódását. Hozzájárulása akkor válik jelentőssé, amikor a korróziós termékek felhalmozódnak, és az ismétlődő nedvesedési-száradási ciklusok megváltoztatják szerkezetüket.

A molibdén javíthatja a lokális korrózióval, ezen belül a kloridok okozta támadással szembeni ellenállást azáltal, hogy befolyásolja a vas-oxihidroxidokat és a lyukak kémiáját. Nem jelent garanciát a lyukkorrózió ellen olyan helyeken, ahol a sólerakódások nedvesek maradnak. A foszfort történelmileg egyes időjárásálló acélokban azért alkalmazták, mert növelheti a légköri korrózióval szembeni ellenállást, és elősegítheti tömör rozsdaréteg kialakulását. A magas foszfortartalom ugyanakkor ronthatja a szívósságot, a hegeszthetőséget vagy a törési teljesítményt, ezért megengedett mennyiségét az acélszabvány és a tervezési követelmények korlátozzák.

A mechanizmus tehát egymást követő folyamatokból áll. Nedvesedéskor az elektrolitfilm lehetővé teszi a vas oldódását és a katódos oxigénredukciót. Száradáskor az oldott ionok feldúsulnak, a korróziós termékek átalakulnak, és a rozsda kevésbé vezetővé és kevésbé áteresztővé válhat. Az ötvözés módosítja e reakciók sebességét és termékeit. Az ismétlődő ciklusok alapvető fontosságúak: a National Steel Bridge Alliance szerint a védőpatina kialakulásához nedvesedésre és száradásra van szükség, miközben a folyamatosan nedves acél aktívan korrodálhat, mert a rozsda soha nem éli át a stabilizációhoz szükséges száradási szakaszt.

Ez a különbség a kifáradást is befolyásolja. A lyukak feszültséggyűjtő helyként viselkednek még akkor is, ha az átlagos korróziós anyagveszteség mérsékelt. Az FHWA kifáradásra vonatkozó útmutatója szerint az AASHTO a sima, bevonat nélküli időjárásálló acél nemesfémére a hasonló, nem időjárásálló acélnál egy kategóriával alacsonyabb kifáradási kategóriát rendel a lyukkorrózió miatt. Az ötvözet kémiai összetétele csökkentheti a korróziós károsodást, de nem szünteti meg a kifáradási részletek ellenőrzésének, a lyukak vizsgálatának, valamint a hegesztéseknél, kötéseknél és övszéleknél a víz szabályozásának szükségességét.

A W, Ti, Al és a ritkaföldfém-adalékok vizsgálatának új irányai

A kutatások a volfrámot (W), a titánt (Ti), az alumíniumot (Al) és a ritkaföldfém-adalékokat a rozsdaréteg magképződésének, iontranszportjának és a lyukkorrózió kialakulásának módosítására alkalmas lehetőségként vizsgálták. Ezek a vizsgálatok nem igazolnak univerzálisan alkalmazható helyettesítést a hagyományos időjárásállóacél-összetételre. Mindegyik adalék hatással lehet a zárványokra, a kiválásra, a hegesztési viselkedésre, a szívósságra és a gyártástechnológiára, a korrózión kívül is.

A volfrámot azért vizsgálták, mert hozzájárulhat tömörebb, kémiailag stabilabb rozsdaréteg kialakulásához, különösen kloridoknak való kitettség esetén. A titán finomíthatja a szemcséket, és stabil karbid-, nitrid- vagy karbonitrid-részecskéket képezhet; ez a finomítás befolyásolhatja a korrózió egyenletességét, bár a nem megfelelően szabályozott zárványok lokális elektrokémiai cellákat hozhatnak létre. Az alumínium módosíthatja a dezoxidációs termékeket és az oxidok kémiáját. A ritkaföldfémek módosíthatják a zárványok alakját és eloszlását, javíthatják az acél tisztaságát, illetve megváltoztathatják a korróziós termékek tapadását és morfológiáját. Hatásuk nagymértékben függ a konkrét elemtől, koncentrációjától és a feldolgozási útvonaltól.

Az FHWA javított korrózióállóságú acélokkal foglalkozó programja világosan megkülönbözteti a gyakorlati szempontokat. A hagyományos időjárásálló acélt Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo és P alkalmazására alapozták, míg a későbbi kutatások a W, Ti, Al és ritkaföldfém-adalékokat vizsgálták a kloridokat tartalmazó légkörben nyújtott teljesítmény javítása érdekében. Az FHWA 2011-ben arról számolt be, hogy a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziósindex-értéke 6 és 7 között volt, miközben a kutatás célértékként legalább 9,5 körüli értékeket tűzött ki. Ez a célérték lényegesen javított kloridállóságra vonatkozó kutatási kritériumot jelent, nem pedig olyan általános küszöbértéket, amely bizonyítaná, hogy egy bevonat nélküli szerkezeti elem minden tengerparti vagy jégmentesítő sóval érintett helyszínen megfelelő.

A megkülönböztetés azért fontos, mert a hagyományos időjárásállóacél-kémia és a javított korrózióállóságú acélok kutatása eltérő kitettségi korlátokat céloz. Az FHWA helyszínkiválasztási útmutatója megköveteli a nedvesedési idő, a kloridkitettség, az ipari szennyezők, a vízelvezetés, a geometria és a karbantartás értékelését. A 2015-ben közzétett SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezetet, a magas klorid- vagy sópermet-kitettséget, a koncentrált ipari gázokat, valamint a földbe temetett körülményeket a bevonat nélküli időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazásai közé sorolja. Egyetlen ötvözőadalék sem ellensúlyozza azt a részletképzést, amely korlátlan ideig csapdába ejti a vizet és az útsót.

Az ASTM G101 szerinti, összetételen alapuló korróziós indexek

Az ASTM G101-04(2010) két különböző alkalmazási területet magában foglaló becslési keretrendszert biztosít: a rövid idejű kitettségi adatokból történő hosszú távú légköri korróziós anyagveszteség-becslést, valamint a gyengén ötvözött acél légköri korrózióval szembeni relatív ellenállásának becslését annak kémiai összetétele alapján. Az összetételen alapuló korróziós index a meghatározott ötvözőtartalmakat empirikus mérőszámmá alakítja, amelyet az acélok összehasonlítására szántak. Ez nem egy hídszerkezeti elem élettartamának közvetlen kiszámítása.

Az index azért hasznos, mert a kémiát mérhető várakozással kapcsolja össze. A magasabb érték általában nagyobb légköri korrózióállóságot jelez azon tartományon és azon körülmények között, amelyekre az összefüggést kidolgozták. Az FHWA által közölt értékek — a legtöbb meglévő időjárásálló acél esetében körülbelül 6–7, a vizsgált kloridálló összetételeknél pedig legalább 9,5 körüli értékek — megmutatják, hogyan irányíthatja az index az ötvözetfejlesztést. Nem jelentik azt, hogy minden 9,5 feletti acél stabil patinát képez sóval terhelt résben, és azt sem, hogy minden 9,5 alatti acél tönkremegy száraz, szárazföldi légkörben.

Az ASTM G101 alkalmazását a bemeneti adatok korlátai is meghatározzák. A kémiai összetétel nem írja le a lefolyási útvonalakat, a résgeometriát, a lerakódásokat, a száradási időt, a kén-dioxid-koncentrációt, a fröccsenési kitettséget vagy a karbantartást. Nem képes reprezentálni egy olyan övlemez alsó oldalát, amely egy szivárgó dilatációs szerkezet miatt nedves marad. Az ISO 9223:2012 biztosítja a légköri korrozivitás keretrendszerét, míg az FHWA útmutatása a helyszínnel és a részletképzéssel kapcsolatos kérdéseket határozza meg; egyik szabvány sem teszi lehetővé, hogy a kémiai összetétel helyettesítse a kitettség értékelését.

A hídépítésben alkalmazott acélok esetében az anyagszabvány továbbra is releváns. Az ASTM A709/A709M a hidak szerkezeti acéljára vonatkozik, beleértve az időjárásálló acélminőségeket is, miközben a tervezési ellenőrzéseknek ki kell terjedniük a keresztmetszet-veszteségre, a kapcsolatokra, a hegesztésekre, a törési szívósságra és a kifáradásra. Az ASTM G101 helyes, korlátozott, de hasznos következtetése a következő: az ötvözet kémiai összetétele növelheti vagy csökkentheti a rozsdaréteg stabilizálódásának valószínűségét, és támogathatja a jelölt összetételek összehasonlítását. A patinának azonban továbbra is megfelelő nedvesedéssel és száradással kell kialakulnia, tartós szennyeződéstől védetten, és vizsgálattal kell igazolni a kialakulását.

ASTM G101 és az összetételen alapuló előrejelzés korlátai

Az ASTM G101-04(2010) két, egymással összefüggő, de különböző feladattal foglalkozik. Módszereket biztosít a rövid idejű kitettségi adatokból származó hosszú távú légköri korróziós veszteség becslésére, valamint módszert kínál az alacsonyan ötvözött acél relatív légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő becslésére. Egyik módszer sem alakítja át az acélminőséget garantált élettartamértékké.

Ez a megkülönböztetés fontos az olyan időjárásálló acélok esetében, mint az ASTM A588, valamint az ASTM A709 által lefedett időjárásálló acélminőségek esetében. Korrózióállóságuk egy viszonylag tömör, jól tapadó rozsdaréteg kialakulásától és fennmaradásától függ. Az ötvözet nem válik korrózióval szemben immúnissá, és a patina nem olyan állandó bevonat, amely minden kitettségi körülmény között megőrzi védőhatását. Az ASTM G101 támogathatja a mérnöki értékelést, de nem helyettesítheti a helyszín jellemzését, a részletképzés felülvizsgálatát, a kitettségi vizsgálatot vagy az ellenőrzés megtervezését.

A hosszú távú veszteség becslése rövid idejű kitettség alapján

A rövid idejű kitettség kiindulópontot adhat egy hosszabb korróziós időszak becsléséhez, de a becslés attól függ, hogy a kitettség mennyire reprezentálja a környezetet és a modellezett korróziós szakaszt. A kezdeti korrózió viszonylag gyors lehet, miközben a felület ismételten benedvesedik, megszárad, rozsdásodik, majd laza korróziós termékeket veszít. A későbbi korrózió csökkenhet, amikor stabilabb rozsdaréteg alakul ki. Az átmenet nem azonnali, és nem minden helyszínen azonos.

Az ASTM G101 ezért a hosszú távú veszteséget kitettségi adatokon és korróziós viselkedésen alapuló becslési feladatként kezeli, nem pedig a hónapok évtizedekké történő rögzített átszámításaként. Egy szabadon kitett próbatesten végzett rövid távú tömegveszteség-mérés keveset mondhat egy olyan hídelemezről, amely egy szivárgó dilatációs szerkezet alatt folyamatosan nedves marad. A jó légmozgású vizsgálati állványon kapott eredmény is eltérhet egy madárürülékkel, útszóró anyaggal vagy felhalmozódott sókkal borított tartógerenda övlemezén tapasztalhatótól.

A bizonytalanság tovább nő, ha a kitettségi időszak nem foglalja magában a meghatározó évszakos körülményeket. A téli jégmentesítő só, a nyári páralecsapódás, a tengeri aeroszol és az ipari kibocsátások olyan korróziós eseményeket idézhetnek elő, amelyeket egy rövid vizsgálati kampány nem rögzít. Ezzel szemben egy erősen szennyezett építési időszak túlbecsülheti a hosszú távú átlagot, ha a szennyeződés nem jellemző a normál üzemeltetésre.

Az ISO 9223:2012 biztosítja a légköri korrozivitás szélesebb keretrendszerét. A korrozivitást szabványos próbatestek első éves korróziós sebessége alapján osztályozza, és kulcsfontosságú tényezőként azonosítja a hőmérséklet és a páratartalom hatását, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben található sótartalmat. Kategóriái egy légkört írnak le, nem pedig egy adott időjárásálló acélból készült szerkezeti elem pontos veszteségét. A helyszín korrozivitási osztálya támpontot adhat a kiválasztáshoz, de a helyi rések, párkányok és vízelvezetési útvonalak a névleges osztályozásnál súlyosabb mikroklímát hozhatnak létre.

A hosszú távú előrejelzésnek ezért lehetőség szerint a kitettségi nyilvántartásokon, összehasonlítható korróziós adatokon és a tényleges szerkezeti elem geometriáján kell alapulnia. A próbatestes vizsgálat növelheti a megbízhatóságot, különösen szokatlan ipari, tengerparti vagy jégmentesítő sóval terhelt környezetben. A mért keresztmetszet-veszteség azonban ekkor is csak a tervezési kérdés egyik része. A gödrös korrózió, a lemezközi rétegek felszínre kerülése, a csavarfuratok tágulása és a kifáradás szempontjából érzékeny bemetszések már az átlagos vastagságveszteség jelentőssé válása előtt meghatározóvá válhatnak.

A relatív korrózióállóság becslése kémiai összetétel alapján

Az ASTM G101 összetételi módszere korróziós indexet számít a meghatározott ötvözőelemekből. Az index összehasonlító jellegű. Segít jelezni, hogy egy alacsonyan ötvözött acél hogyan teljesíthet egy másikhoz képest légköri kitettség mellett; nem jósolja meg egy projekt korróziós sebességét milliméter/év pontossággal, mint egy helyszínspecifikus modell.

A hagyományos időjárásálló acélok kémiája a mangánra, a szilíciumra, a krómra, a nikkelre, a rézre, a molibdénre és a foszforra összpontosít. Ezek az elemek befolyásolják a rozsdaréteget, az elektrokémiai reakciókat, valamint azt a hajlamot, hogy a korróziós termékek kevésbé porózussá és jobban tapadóvá váljanak. A Federal Highway Administration 2009-es, korrózióálló acélokkal foglalkozó kutatása a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfém-adalékok hatását is vizsgálta. Ez a kutatás egy fontos szempontot tükröz: az összetétel a korrózióállóság javítása érdekében mérnöki módon kialakítható, de az index csak közelítő mutatója az ebből eredő korróziós mechanizmusnak.

A Federal Highway Administration 2011-ben arról számolt be, hogy a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziósindex-értéke 6 és 7 között volt, miközben kutatása jelentősen javított korrózióállóság elérése érdekében kloridtartalmú légkörben 9,5 körüli vagy azt meghaladó értékeket célzott meg. Ezek az értékek hasznosak a lehetséges kémiai összetételek összehasonlítására. Nem jelentik azt, hogy a 9,5-ös index garantálja a sózott út mellett, bevonat nélkül alkalmazott acél elfogadható teljesítményét, és azt sem, hogy a 6-os indexű acél minden szárazföldi helyszínen tönkremegy.

A magasabb index kedvezőbb ötvözési egyensúlyra utalhat, az összetétel azonban nem írja le a felületi szennyeződést, a hegesztési zónákat, a reve állapotát, a lefolyóvizet vagy a nedvesség fennállásának időtartamát. Nem ragad meg továbbá minden, az ötvözőelemek és a légkör közötti kölcsönhatást sem. Azonos minőségi határértékeknek megfelelő két üst a kisebb összetételbeli eltérések, a feldolgozási előzmények, a felület-előkészítés és a kitettség iránya miatt eltérő rozsdaréteg-fejlődést mutathat.

Az indexet az acélminőség megjelölésétől is el kell különíteni. Az ASTM A588 meghatározott kémiai és mechanikai követelményekkel rendelkező, időjárásálló acélterméket ír elő; nem ígér egyetlen, minden környezetre érvényes korróziósveszteség-görbét. Az ASTM A709 hídépítési acélminőségeket és kapcsolódó követelményeket foglal magában, de egy megfelelő minőség kiválasztása nem szünteti meg a kitettség és a részletképzés értékelésének szükségességét. Az anyag megfelelősége az előírt acél szükséges feltétele, de nem helyettesíti a korróziós tervezést.

Miért a kitettségi körülmények határozzák meg továbbra is az eredményt?

Az időjárásálló acélnak váltakozó nedvesedésre és száradásra van szüksége a védőhatású patina kialakulásához. Ha egy felület folyamatosan nedves marad, a korróziós termékek porózusak és aktívak maradhatnak ahelyett, hogy stabilizálódnának. Az SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezetet, a magas klorid- vagy sópermet-terhelést, a koncentrált ipari gázokat, valamint a földbe temetett körülményeket a bevonat nélküli, időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazásai közé sorolja. Ezek a körülmények felülírhatják azt az előnyt, amelyre a kedvező összetételi index utal.

A klorid különösen káros, mivel a lerakódásokban feldúsulhat, és lebonthatja a védő rozsdarétegeket. A tengeri permet, a járművek által felhordott jégmentesítő só, a szivárgó pályalemez-csatlakozások és a szennyezett lefolyóvíz akkor is súlyos helyi kitettséget idézhet elő, ha az általános légkör mérsékeltnek tűnik. A kén-dioxid és más ipari szennyezők növelhetik az elektrolit savasságát, illetve módosíthatják a rozsda kémiáját. A védett felületek gyorsabban korrodálhatnak a kitett felületeknél, mivel kevésbé mossa őket az eső, és lassabban száradnak.

A vízelvezetés és a geometria gyakran eldönti, hogy a patina stabilizálódhat-e. A toldólemezeknél, a merevítőbordák végeinél, a csatlakozási üregekben, a tömítetlen átlapolásoknál és a vízszintes párkányokon kialakuló vízcsapdák ismételt vagy folyamatos nedvesedést hoznak létre. A törmelék megtartja a nedvességet és a kloridot. A pályalemezek alatti vagy a zárt szelvények belsejében fennálló rossz szellőzés ugyanezt a hatást váltja ki. A részletképzésnek a vizet el kell vezetnie az acéltól, nem pedig lehetővé tennie, hogy egy érzékeny csatlakozáson átfolyjon, majd alatta összegyűljön.

A tervezési következmény túlmutat az átlagos légköri veszteségen. A gödrös korrózió feszültségkoncentrációkat hoz létre, és az FHWA kifáradási útmutatója szerint az AASHTO a bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagára egy kifáradási kategóriával alacsonyabbat rendel, mint a hasonló, nem időjárásálló acélra a gödrös korrózió miatt. Ezért egy szerkezet kifáradási szempontból akkor is különös figyelmet igényelhet, ha számított általános korróziós vesztesége mérsékeltnek tűnik.

Az ASTM G101 akkor értékes, ha az eredményét bizonyítékként, nem pedig garanciaként értelmezik. A megalapozott döntés az összetételi indexet az ISO 9223 szerinti légköri információkkal, a klorid- és szennyezőanyag-terhelés értékelésével, a nedvesség fennállásának időtartamával, a vízelvezetés felülvizsgálatával, a geometriával, a karbantartási hozzáféréssel és az ellenőrzési rendelkezésekkel együtt veszi figyelembe. Ha ezek a körülmények nem teszik lehetővé az ismételt száradást és a stabil rozsdaréteg kialakulását, akkor az acél számított indexétől függetlenül festésre, időjárás elleni védelemre vagy más korrózióvédelmi intézkedésre lehet szükség.

Az ISO 9223 korróziós osztályai a tervezési döntésekben

Az ISO 9223:2012 közös nyelvet biztosít a légköri korrózió kifejezésére, azonban nem jelent jóváhagyási tanúsítványt bevonat nélküli időjárásálló acél alkalmazására. A szabvány a légkört a szabványos próbatestek első évi korróziós sebessége alapján osztályozza, és ezt az eredményt környezeti paraméterekhez, különösen a hőmérséklethez és a relatív páratartalomhoz, a kén-dioxid-szennyezéshez, valamint a levegőben található sótartalomhoz kapcsolja. Ezek a bemeneti adatok a légkörnek a referenciafémekkel szembeni agresszivitását írják le. Önmagukban azonban nem jelzik előre minden ötvözet, kapcsolat, rés, hegesztés vagy vízelvezetési részlet állapotát egy szerkezeten.

A szabványos próbatestek első évi korróziós sebességei

Az első év korróziós sebességének felső határa (μm/év)

A közönséges szénacélból készült szabványos próbatestek esetében az ISO 9223:2012 az első évi korróziós sebességre a következő tartományokat határozza meg:

Ezek az értékek osztályozási határértékek, nem pedig a szerkezeti acél garantált vastagságveszteségei az élettartam során. Az első év egyben különleges időszak is. A csupasz acél a kitettség kezdetén általában gyorsabban korrodál, miközben rozsdaréteg alakul ki, amely megváltoztatja az oxigénnek, a víznek és a szennyező anyagoknak a fémfelülethez való hozzáférését. Az időjárásálló acélt viszonylag tömör, jól tapadó korróziós réteg kialakítására tervezik, ezért a későbbi korróziós sebessége jelentősen eltérhet a közönséges szénacélból készült referencia-próbatest sebességétől.

Ez a különbség nem teszi irrelevánssá az ISO-osztályt. Az osztály meghatározza a környezeti kiindulópontot. Egy C3 osztályú légkör például nem alkalmatlan automatikusan az időjárásálló acél számára, de a C2 osztályú szárazföldi légkörtől eltérő értékelést indokol. Hasonlóképpen, a CX osztály olyan körülményeket jelez, amelyek között a kloridlerakódás, a tengeri aeroszol, a tartós nedvesség vagy az agresszív ipari szennyeződés megakadályozhatja a korróziós réteg stabilizálódását.

Az ISO 9223 a szabványosított próbatestek viselkedését környezeti mérésekkel és becslésekkel együtt alkalmazza. A gyakorlatban egy helyszín kezdeti osztályát a hőmérséklet- és páratartalmi viszonyok, valamint a szennyezési adatok alapján határozhatják meg, majd a helyi kitettségi jellemzők figyelembevételével magasabb vagy alacsonyabb gyakorlati veszélyességi szintet rendelhetnek hozzá. A védett felületeken, az alsó oldali részleteknél és az utakhoz közeli helyeken a mikroklíma károsítóbb lehet, mint egy szabadon álló vizsgálati állványon. A kloriddal terhelt fröccsenési zóna akkor is agresszív maradhat, ha az átfogó regionális osztályozás mérsékeltnek tűnik.

A szabvány szerinti értékeket ezért légköri viszonyítási alapként kell értelmezni. Nem helyettesítik a lerakódás mérését, hasonló szerkezetek vizsgálatát vagy a tervezett geometria elemzését.

A korróziós osztály alkalmazása bemeneti adatként

Az osztály a szűrési szakaszban hasznos. Segít annak megállapításában, hogy érdemes-e tovább vizsgálni egy bevonat nélküli időjárásálló acélból készült koncepciót, hogy már a kezdetektől figyelembe kell-e venni egy védőbevonati rendszert, valamint hogy a tervezőcsapatnak szüksége van-e helyspecifikus kitettségi adatokra. Az osztályt az osztályozás forrásával és alapjával együtt kell rögzíteni: ilyen alap lehet a mért korróziós sebesség, az éghajlati számítás, a szennyezési adat, a tengertől mért távolság vagy a mérnöki megítélés.

Önmagában egy osztály nem döntheti el, hogy elfogadható-e a bevonat nélküli időjárásálló acél. A Federal Highway Administration útmutatója előírja a nedvesedési idő, a kloridkitettség, az ipari szennyező anyagok, a vízelvezetés, a geometria és a karbantartás értékelését, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acélt választanak. Ez a felsorolás azért fontos, mert a patina váltakozó nedvesedési és száradási ciklusoktól függ. A National Steel Bridge Alliance szerint a védőpatina kialakulásához ismételt nedvesedés és száradás szükséges. Egy szivárgó kapcsolat alatt tartósan nedves felület névlegesen mérsékelt légkörben is tovább korrodálhat.

A tervezési felülvizsgálat során ezért azt kell megvizsgálni, mit rejt el az ISO-osztály. Ki van-e téve az elem tengeri permetnek, jégmentesítő sónak vagy szél által szállított kloridoknak? El tud-e folyni a víz a karimákról és a csomólemezekről, vagy egy toldás, merevítő vagy csapágy mögött összegyűlik? Vannak-e keskeny rések, vízszintes peremek, rétegelt rozsdát előidéző üregek vagy törmeléket visszatartó részletek? Az ipari kén-dioxid, a savas kondenzátum vagy az összeférhetetlen fémek érintkezése létrehozhat-e helyi galvánelemet? Elegendő-e a vizsgálati hozzáférés ahhoz, hogy a lyukkorróziót még a kifáradási teljesítmény romlása előtt felismerjék?

Az ötvözet kémiai összetétele szintén része ennek a döntésnek. Az időjárásálló acélok olyan célzott ötvözőadagolásoktól függenek, amelyek többek között Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo és P elemeket tartalmaznak; a kutatások W, Ti, Al és ritkaföldfém-adalékokat is vizsgáltak. Az ASTM G101-04(2010) módszereket biztosít a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövid távú kitettségi adatok alapján történő becslésére, valamint az ötvözetlen acél relatív légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő becslésére. Az összetételen alapuló index támogathatja az összehasonlítást, de továbbra is becslés, nem pedig helyspecifikus garancia. A FHWA kutatása szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti indexértéke 6 és 7 között volt, míg a kloridtartalmú légkörben lényegesen jobb ellenállás elérésére irányuló kutatási célérték körülbelül 9,5 vagy annál magasabb volt.

A kiválasztott termékszabványnak továbbra is irányadónak kell lennie az anyagkövetelmények tekintetében. Hídépítési munkák esetében a Steel Bridge Design Handbook az időjárásálló acélra vonatkozó előírásokat az ASTM A709 szerinti hídkonstrukciós acélok anyag- és tervezési szempontjai között tárgyalja. A kémiai összetétel, a mechanikai tulajdonságok, a hegeszthetőség és a gyártási ellenőrzések nem vezethetők le egy ISO szerinti korróziós osztályból.

A kifáradást külön kell kezelni. A lyukkorrózió csökkenti a tényleges kifáradási ellenállást még akkor is, ha az átlagos vastagságveszteség csekélynek tűnik. A FHWA kifáradási útmutatója szerint az AASHTO a bevonat nélküli, közönséges időjárásálló acélból készült alapanyagot egy kifáradási kategóriával alacsonyabb kategóriába sorolja, mint az összehasonlítható, nem időjárásálló acélt, a lyukkorrózió miatt. A korróziós osztályozásnak ezért be kell épülnie a kifáradási felülvizsgálatba, nem csupán a korróziós ráhagyás számításába.

Vastagsági ráhagyások és a kitettségi osztály értelmezése

Egy ISO-osztály támpontot adhat a vastagsági ráhagyás meghatározásához, de a ráhagyásnak összhangban kell lennie a tényleges kitettséggel, a tervezett élettartammal, a korróziós modellel és a kitett felületek számával. A névleges első évi korróziós sebesség egyszerű megszorzása az élettartam éveinek számával általában túlságosan leegyszerűsítő: a korróziós sebesség a rozsdaréteg kialakulásával változik, a védett felületek másképpen viselkednek, mint a szabadon kitett felületek, és a helyi lyukkorrózió még azelőtt meghatározhatja a teljesítményt, hogy az egyenletes anyagveszteség kritikussá válna.

Az SCI Guidance Note 1.07 az időjárásálló acél vastagsági ráhagyásait a kitettségi osztályhoz és az acél felületén fennálló körülményekhez kapcsolja. Tervezési megközelítése megköveteli a mérnöktől annak meghatározását, hogy az elem külső hatásnak kitett, védett, vagy olyan körülményeknek van-e kitéve, amelyek gátolják a patina kialakulását, majd az előirányzott használati időre vonatkozó megfelelő ráhagyás alkalmazását. A kitettségi osztály nem pusztán díszítő címke. Megváltoztatja a feltételezett korróziós igénybevételt, ezáltal a teherbírási ellenőrzésekhez rendelkezésre álló maradó vastagságot is.

A ráhagyásnak a részletképzéssel is összhangban kell lennie. Egy hozzáadott milliméter nem ellensúlyozhatja azt, ha egy karima éveken át sós vizet tart vissza. Ugyanígy nem teszi a földbe temetett acélt, a folyamatosan nedves acélt vagy a sópermetnek kitett felületet egyenértékűvé a szabadon kitett, megfelelően víztelenített felülettel. Az SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves környezetet, a magas klorid- vagy sópermet-kitettséget, a koncentrált ipari füstgázokat és a földbe temetett körülményeket a bevonat nélküli időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazási területei közé sorolja. Ezeken a helyeken a nagyobb korróziós ráhagyás helyett védőbevonati rendszerre, módosított vízelvezetésre, tömített részletre vagy eltérő anyagstratégiára lehet szükség.

A tervezőknek meg kell különböztetniük egymástól a szerkezeti teherbírás megőrzésére alkalmazott ráhagyást, valamint a gyártási tűrésekhez, a szerelési sérülésekhez vagy a jövőbeli vizsgálatok bizonytalanságához szükséges fémet. A lemezeket elvékonyodott állapotukban is ellenőrizni kell, a kapcsolatokat pedig rétegelt rozsda, keresztmetszet-veszteség és vízgyűjtő helyek szempontjából kell vizsgálni. A vízelvezető furatoknak a törmelék és a korróziós termékek felhalmozódása után is működőképesnek kell maradniuk.

A gyakorlati sorrend egyértelmű: meg kell határozni az ISO 9223 szerinti osztályt, ellenőrizni kell a környezeti paramétereket, azonosítani kell a helyi kitettséget módosító tényezőket, ki kell választani és ellenőrizni kell az időjárásálló acél minőségét, alkalmazni kell az irányadó tervezési útmutató kitettségfüggő vastagsági szabályait, majd ellenőrizni kell a vízelvezetést, a kifáradást, a vizsgálatot és a karbantartást. Az ISO 9223 elindítja a döntési folyamatot. Nem zárja le.

A helyszín kiválasztása: amikor a bevonat nélküli időjárásálló acél kockázatossá válik

A bevonat nélküli időjárásálló acél nem pusztán azért alkalmas, mert egy szerkezet kültéren helyezkedik el. Légköri korrózióval szembeni ellenállása meghatározott kitettségi mintázattól függ: a felületnek ismételten át kell nedvesednie, majd meg kell száradnia, miközben az ötvözet viszonylag tömör és jól tapadó rozsdaréteget alakít ki. Ez a réteg csökkentheti a későbbi korróziót, de nem automatikus és nem maradandó bevonat. Az a helyszín, amely folyamatosan nedvesen tartja az acélt, kloridokat juttat a felületre, szennyezett vizet tart vissza, vagy ipari gázokat koncentrál, megakadályozhatja a patina stabilizálódását.

Ezért a környezeti vizsgálat előfeltétele a bevonat nélküli rendszer kiválasztásának. A Federal Highway Administration (FHWA) előírja, hogy a tervezők a bevonat nélküli időjárásálló acél kiválasztása előtt értékeljék a nedvesség fennállásának időtartamát, a kloridterhelést, az ipari szennyező anyagok jelenlétét, a vízelvezetést, a geometriát és a karbantartási feltételeket. Ezeket az ellenőrzéseket az előzetes tervezési szakaszban kell elvégezni, nem pedig azt követően, hogy rozsdafolyás, keresztmetszet-veszteség vagy repedés jelent meg.

Az ISO 9223:2012 hasznos keretet biztosít ehhez a vizsgálathoz. A szabvány a légköri korrozivitást szabványos próbatestek első éves korróziós sebessége alapján osztályozza, és fő befolyásoló tényezőként kezeli a hőmérséklet és a páratartalom hatását, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben jelen lévő sótartalmat. Az osztályozás önmagában nem hagy jóvá egy időjárásállóacél-alkalmazást. Olyan környezeti bizonyítékot szolgáltat, amelyet az ötvözet kémiai összetételével, a kitettség geometriájával és a helyszíni korrózió következményeivel együtt kell értelmezni.

Tengeri, sós permetnek kitett és kloridtartalmú légkörök

A tengeri kitettség az egyik legnyilvánvalóbb kockázati körülmény. A tengeri permet, a megtörő hullámok, a szél által szállított só és a jégmentesítő sók kloridionokat juttatnak az acél felületére. A kloridok vezetőképesebbé és kémiailag aktívabbá teszik a rozsdaréteget, visszatartják a nedvességet, és elősegítik a lerakódások alatti lokalizált korróziót. A viszonylag egyenletes, jól tapadó patina kialakulása helyett a felületen gödrök és laza korróziós termékek jelenhetnek meg. A rozsdaréteg sötétnek és érettnek tűnhet, miközben alatta a korrózió tovább folytatódik.

A sóterhelés nem korlátozódik a tengerpartra. A hidak pályalemezei és rámpái ismételten nátrium-klorid vagy kalcium-klorid hatásának lehetnek kitéve, miközben a permet a főtartókra, sarukra, keresztkeretekre és alsó övekre jut. A szél a sót a szárazföld belseje felé is szállíthatja. A tengerparti ipari létesítményekben a levegő sótartalma kénvegyületekkel és tartós páratartalommal társulhat. Ezért nem csupán a tengertől való távolságot kell vizsgálni, hanem azt is, hogy mennyi klorid jut az acélra, milyen gyakran rakódik le, és hogy az eső le tudja-e mosni.

Az FHWA korlátozásai közvetlenül foglalkoznak a tengeri és kloridokkal terhelt környezetekkel. Bevonat nélküli időjárásálló acélt nem szabad választani olyan helyen, ahol a kloridszennyezés súlyos, vagy ahol a sóval terhelt nedvesség elegendő lemosás és száradás nélkül ismételten benedvesíti a felületet. A Steel Construction Institute SCI Guidance Note 1.07 című útmutatója a nagy kloridterhelést, illetve a sós permetnek való kitettséget a bevonat nélküli időjárásálló acél szempontjából alkalmatlan vagy korlátozott feltételként azonosítja. Különösen problémás a fröccsenési zóna: az olyan acél, amely felváltva merül vízbe, kap permetet, majd oxigénnel érintkezik, nem részesül abban a stabil nedvesedési-száradási ciklusban, amely a szokásos légköri patina kialakulásához szükséges.

Az acélminőség kémiai összetétele fontos, de a kémia nem képes megszüntetni az ellenséges kitettség hatását. Az FHWA 2011-ben közzétett kutatása szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziósindex-értéke 6 és 7 között volt, miközben a kutatás kloridtartalmú légkörben lényegesen javított ellenállás eléréséhez 9,5 körüli vagy annál magasabb értékeket célzott meg. Az ASTM G101-04(2010) módszereket biztosít a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövid idejű kitettségi adatokból történő becslésére, valamint a kisötvözésű acél relatív légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő becslésére. Ezek az indexek az összehasonlítást segítik; nem jelentenek felmentést a helyszín vizsgálata alól.

A fáradási méretezés további okot ad arra, hogy a kloridterhelést komolyan vegyük. A lyukkorrózió helyi feszültségkoncentrációkat hoz létre, a korrózió okozta anyagveszteség pedig rövid távolságokon belül is jelentősen változhat. Az FHWA fáradási útmutatója szerint az AASHTO a sima, bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagát a hasonló, nem időjárásálló acélnál egy fokozattal alacsonyabb fáradási kategóriába sorolja a lyukkorrózió miatt. Egy sóterhelésnek kitett hidat ezért mind az anyagveszteség, mind pedig a gödrök fáradási ellenállásra gyakorolt hatása szempontjából értékelni kell. Szükségessé válhat a veszélyeztetett felületek festése, a vízelvezetés javítása vagy más korrózióvédelmi rendszer kiválasztása.

Folyamatosan nedves, földbe temetett és rosszul szellőző helyek

A patina kialakulásához váltakozó nedvesedési és száradási ciklusokra van szükség. A National Steel Bridge Alliance (NSBA) szerint a védő patina kialakulásához ismételt benedvesedés és száradás szükséges. A folyamatos nedvesség megszakítja ezt a folyamatot. Az acélhoz tapadó víz egyes területeken korlátozza az oxigén szállítását, más területeken viszont támogatja az elektrokémiai korróziót; a lerakódások differenciális levegőztetésű cellákat hozhatnak létre, és az így keletkező korróziós termékek puhák, porózusak és rosszul tapadók maradhatnak.

A szerkezeti részletek gyakran akkor is létrehozzák ezt a feltételt, ha a regionális éghajlat mérsékelt. A vízszintes peremek, dobozszelvények, merevítőlemezek közötti hézagok, illesztőlemezek, egymással szembefordított szögacélok és eltömődött lefolyók visszatarthatják az esővizet vagy a szennyezett hordalékot. Egy keskeny rés a kitett szélén kiszáradhat, miközben a tövénél nedves marad. Ez az egyenetlen kitettség lokalizált korróziót ösztönöz az olyan nagyjából egyenletes felületi változás helyett, amelyet a légköri kitettségre épülő tervezés feltételez.

Az FHWA útmutatója előírja a vízelvezetés és a geometria helyspecifikus felülvizsgálatát. A víznek gyorsan el kell hagynia a szerkezetet, a részleteknek pedig meg kell akadályozniuk, hogy a törmelék nedves zsebeket hozzon létre. A szellőzés ugyanilyen fontos. A zárt vagy árnyékolt terek a kitett felületek megszáradása után is párásak maradhatnak, különösen akkor, ha gyenge a légmozgás és páralecsapódás következik be. A SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezetet, valamint a rossz szellőzést a bevonat nélküli időjárásálló acél szempontjából korlátozott vagy alkalmatlan feltételként azonosítja.

A földbe temetett acél külön figyelmeztetést igényel, és nem tekinthető szokásos légköri alkalmazásnak. A talaj tartós nedvességet, oldott sókat, egyes helyeken pedig savas vagy mikrobiológiailag aktív körülményeket biztosít. A talajjal való érintkezés egyben megakadályozza azt a szabad levegőn bekövetkező nedvesedési és száradási ciklust, amelytől a légköri időjárásállóság függ. Ugyanez a probléma jelentkezik akkor is, ha az acél részben betonba, burkolatba, feltöltésbe vagy felhalmozódott hordalékba van ágyazva, és az érintkezési felület nedves marad. A talajszint alatti szakaszokhoz, támfalak részleteihez, földbe temetett merevítésekhez és az alapozásoknál elhelyezkedő acélhoz a talajjal vagy vízbe merüléssel járó kitettségre kialakított védelmi stratégia szükséges, nem pedig a légköri patinára való hagyatkozás.

A víz az anyagok közötti átmeneteknél is megrekedhet. A tömítőanyagok, membránok, tűzvédő bevonatok, összeférhetetlen fémek és rosszul illeszkedő burkolatok nedvesen maradó réseket hozhatnak létre. Az egyik szerkezeti elemről lefolyó víz egy másik elemre juthat, és a kloridokat, valamint a korróziós termékeket egy keskeny vonal mentén koncentrálhatja. A szivárgó dilatációs szerkezetek vagy pályalemez-lefolyók alatti fröccsenési zónák különös figyelmet érdemelnek, mivel az acél ismételten szennyezett vízzel nedvesedhet, miközben alig részesül kedvező száradásban.

Ipari gázok és szennyező anyagok koncentrációja

Az ipari légkör látható sós permet nélkül is korrozív lehet. Az égési és feldolgozóüzemekből származó kén-dioxid feloldódik a felületi nedvességben, és savas vegyületeket, köztük kénessavat, majd az oxidáció előrehaladtával kénsavat képez. Más szennyező anyagok, például a hidrogén-szulfid, a kloridok, a nitrogén-oxidok, a savas aeroszolok és a technológiai porok megváltoztathatják a rozsdaréteg kémiáját. A lerakódott por a nedves levegőből vizet szívhat magába, így az esőzés befejeződése után is meghosszabbíthatja a nedvesség fennállásának időtartamát.

Az ISO 9223:2012 kifejezetten a kén-dioxid-szennyezést jelöli meg a légköri korrozivitás osztályozásának egyik tényezőjeként. A koncentráció és a lerakódási minta egyaránt fontos. Egy kémény, kohó, vegyi üzem, műtrágyagyártó létesítmény, hulladékkezelő üzem vagy erősen iparosodott kikötő közelében fekvő helyszín jóval nagyobb szennyezőanyag-terhelést kaphat, mint amire egy regionális mérőállomás adatai alapján következtetni lehetne. A helyi füstcsóvák, az árnyékolt bemélyedések és a szél alatti felületek egyetlen szerkezeten belül is súlyos mikroklímát hozhatnak létre.

Ezért az FHWA korlátozásai a koncentrált ipari szennyező anyagokat is a körültekintést vagy kizárást igénylő feltételek közé sorolják. A SCI Guidance Note 1.07 hasonlóképpen alkalmatlannak vagy korlátozottnak tekinti a koncentrált ipari gázoknak való kitettséget a bevonat nélküli időjárásálló acél szempontjából. Nem az a kérdés, hogy az ötvözet tartalmaz-e rezet, krómot, nikkelt, foszfort vagy más szándékosan hozzáadott elemeket. Az időjárásálló acélok kis széntartalmú acélok, amelyek korróziós viselkedését ötvözéssel módosítják; az FHWA a hagyományosan vizsgált Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo és P elemek mellett újabb kutatásokban a W, Ti, Al és ritkaföldfém-adalékok vizsgálatát is rögzíti. Az ötvözettervezés megfelelő kitettség mellett javítja az ellenállást, de egy savakkal terhelt, folyamatosan nedves felületet nem változtat védett felületté.

A megalapozott helyszíni döntés a légköri adatokat fizikai felméréssel kapcsolja össze: vizsgálni kell a kloridlerakódást, a szennyezőanyag-forrásokat, az uralkodó szeleket, a páralecsapódást, a vízelvezetési útvonalakat, a fröccsenési területeket, a zárt tereket, a talajjal való érintkezést és az ellenőrzés hozzáférhetőségét. Az ASTM G101 szerinti számítások és az ISO 9223 szerinti osztályozás tájékoztathatják az értékelést, bizonytalan helyszíneken pedig expozíciós próbatestek vagy helyi korróziómonitorozás alkalmazása is indokolt lehet. Ha a szerkezet nem tud kiszáradni, nem ellenőrizhető megfelelően, illetve koncentrált kloridoknak vagy ipari gázoknak lesz kitéve, a bevonat nélküli időjárásálló acélt a részletek véglegesítése előtt el kell utasítani, vagy alkalmazását korlátozni kell.

Szerkezeti részletképzés: vízelvezetés, szennyeződés és szellőzés

A vízcsapdák és a szennyeződés felhalmozódásának megelőzése

Az időjárásálló acél nem ellensúlyozza a nem megfelelő geometriát. A megfelelő ötvözet csak akkor képes viszonylag tömör, jól tapadó rozsdaréteget kialakítani, ha a felület ismételten átnedvesedik és kiszárad; egy olyan csomópont, amely tartósan nedves marad, iszapot tart vissza vagy koncentrált lefolyóvizet kap, gyorsabban korrodálhat, mint egy kevésbé korrózióálló acélból készült, szabadon kitett felület. A National Steel Bridge Alliance 2010-es útmutatója a váltakozó nedves és száraz ciklusokat a védőpatina kialakulásának feltételeként azonosítja. Ennek gyakorlati következménye közvetlen: a részletképzés a névleges anyagválasztáshoz hasonló mértékben képes szabályozni a korróziót.

A SteelConstruction.info és az SCI Guidance Note 1.07 a víz és a szennyeződés felhalmozódását a bevonat nélküli, időjárásálló acél nem kielégítő teljesítményének fő okai közé sorolja. Különösen problémásak a vízszintes párkányok. Egy övlemez-kinyúlás, merevítő, konzol, felfekvési polc vagy építészeti visszahajtás felfoghatja a leveleket, a szemcsés szennyeződést és a madárfészek anyagát, majd az esővizet az acélhoz szorítva tarthatja. A szennyeződés emellett meghosszabbítja a nedvesedés időtartamát, és visszatarthatja a közúti permetből vagy tengeri aeroszolokból származó kloridokat akkor is, amikor a látható felület már száraznak tűnik. Egy keskeny párkány nem válik pusztán keskenysége miatt biztonságossá; a kapilláris erők nedvesen tarthatják az alsó oldalát és a szomszédos hegesztést.

A részleteket ezért úgy kell kialakítani, hogy a víz elfolyjon, ne pedig felgyülemljen. A lejtős felső felületek, a lekerekített vagy kúpos átmenetek, a nyitott végű csatornák és a hozzáférhető felületek csökkentik a vízvisszatartást. Ha egy párkány szerkezetileg szükséges, annak szélességét, lejtését és élképzését úgy kell megválasztani, hogy az üledék ne maradhasson meg rajta, alsó oldalának pedig ellenőrizhetőnek kell lennie. A merevítők nem végződhetnek kis, zárt üregekben. A lemezek találkozásánál elegendő szabad helyet kell biztosítani ahhoz, hogy a víz távozhasson, és az ellenőr láthassa a vonatkozó hegesztéseket és az alapanyagot.

A rések különös figyelmet érdemelnek. Az átlapolt lemezek, a szakaszos hegesztések, a csavarozott átlapolt kötések, a hátlapok és a tömítetlen hajlított élek keskeny oxigénkoncentráció-különbségi cellákat alakíthatnak ki. A víz a nyíláson keresztül bejut, miközben a párolgás a kötés belsejében korlátozott. Az ebből eredő helyi korrózió súlyosabb lehet az általános felületi korróziónál, és lyukkorróziót okozhat a rés szájánál. A névlegesen korrózióálló összetétel nem szünteti meg ezt az elektrokémiai problémát.

Ugyanez az elv érvényes a kivitelezési tűrésekre is. Egy részlet, amely a rajzon elvezeti a vizet, vízcsapdává válhat a lemez alakváltozása, a hegesztési zsugorodás, a süllyedés vagy egy eltömődött kifolyó miatt. A vízelvezető furatokat úgy kell elhelyezni, hogy a várható gyártási és szerelési tűrések mellett is hatékonyak maradjanak, nem pedig egyszerűen az idealizált rajz legalacsonyabb pontján kell feltüntetni őket. A kis furatokat eltömítheti a rozsdaréteg vagy az iszap; méretüknek és hozzáférhetőségüknek tükröznie kell a várhatóan odajutó szennyeződés mennyiségét és jellegét. A tervezési dokumentációban meg kell jelölni azokat a helyeket, ahol az eltömődés tartós nedvesedést okozna, és az ellenőrzéshez szükséges hozzáférést még a szerkezet elkészülte előtt biztosítani kell.

A fáradási méretezés nem választható el ettől a részletképzéstől. Az FHWA 2016-os fáradási útmutatója szerint az AASHTO a sík, bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagát a lyukkorrózió miatt egy fáradási kategóriával alacsonyabbra sorolja, mint az összehasonlítható, nem időjárásálló acélét. Egy rés vagy szennyeződéscsapda fokozhatja ezt a helyi lyukkorróziót, és a sima lemezen végzett számításban feltételezettnél élesebb feszültséggyűjtő helyet hozhat létre. Ezért a hegesztési varratlábak, a kivágási sarkok, a csavarfuratok és a vízelvezető kifolyók melletti területek esetében egyaránt megfelelő fáradási részletkategóriákra és korróziós ellenőrzési tervre van szükség.

A vízelvezetés és a szellőzés biztosítása

A vízelvezetési útvonalaknak folytonosnak, láthatónak és a véletlen eltömődéstől védettnek kell lenniük. A szekrényes tartóba, mellvédbe, támasztóelembe, dilatációs hézag mélyedésébe vagy merevített panelbe bejutó víz számára meghatározott útvonalat kell biztosítani a kifolyóig. Az a kifolyó, amely egy másik acélfelületre vezeti a vizet, csupán áthelyezi a problémát. A kifolyók helyét úgy kell megválasztani, hogy ne nedvesítsék az alsó öveket, a csapágyakat, a hézagokat, a gyalogos útvonalakat és a rozsdafoltosodásra érzékeny betonfelületeket. Ha a kifolyásnak egy szerkezeti felületen kell áthaladnia, a geometriának meg kell akadályoznia, hogy a vízsugár egy varrat mentén szétterüljön vagy egy résbe bejusson.

A zárt üregek visszatérő meghibásodási helyet jelentenek. A tömített üreg kizárhatja az esőt, de tartalmazhat gyártási nedvességet, kondenzvizet vagy egy kisebb, nehezen észlelhető szivárgást is. Különösen veszélyes az olyan üreg, amely sem a víz ellen nincs tömítve, sem a kiszáradás érdekében nem szellőzik. A SteelConstruction.info és az SCI Guidance Note 1.07 azért hangsúlyozza a vízelvezetést és a szellőzést, mert a légköri korrózió szempontjából nem csupán a csapadék mennyisége, hanem a száradási idő is meghatározó. A szellőzőnyílásokat úgy kell elrendezni, hogy lehetővé tegyék a légmozgást és az ellenőrzést, ugyanakkor megakadályozzák az eső és a sós permet közvetlen bejutását. Méretüket úgy kell meghatározni, és védelmüket úgy kell kialakítani, hogy ellenálljanak a fészkeknek, rovaroknak és a felhalmozódó szennyeződésnek.

A szellőzés nem helyettesíti a vízelvezetést. A légáramlás nem tudja eltávolítani az átlapolt lemez mögött megrekedt vizet, és egy nyílás nedves levegőt vagy kloridokat tartalmazó permetet is beengedhet. A kívánt működési elvnek egyértelműnek kell lennie: a víznek gravitációs úton kell távoznia, míg a szellőzésnek csökkentenie kell a páralecsapódást és elő kell segítenie a kiszáradást. Szekrényes szelvényekben a légcsere és a vízelvezetés elősegítéséhez szükség lehet felső és alsó nyílásokra, elrendezésüknek azonban figyelembe kell vennie a szél által hajtott esőt, valamint annak lehetőségét, hogy az egyik nyílás eltömődik.

A környezeti kitettség értékelését a helyszínhez, nem pedig az „időjárásálló acél” megjelöléshez kell igazítani. Az ISO 9223:2012 a légköri korrozivitást szabványos próbatestek első évi korróziós sebessége alapján osztályozza, és kulcsfontosságú tényezőként azonosítja a hőmérséklet- és páratartalmi viszonyokat, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben szálló sótartalmat. Az FHWA 2003-as útmutatója előírja a nedvesedési idő, a kloridok, az ipari szennyezőanyagok, a vízelvezetés, a geometria és a karbantartás értékelését, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acélt választanának. Az SCI Guidance Note 1.07 (2015) a folyamatosan nedves vagy nyirkos helyeket, a magas klorid- vagy sóspermet-kitettséget, a koncentrált ipari gázokat és a földdel érintkező körülményeket nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazásként azonosítja.

Ez különösen fontos az olyan részleteknél, amelyek módosítják a helyi környezetet. Egy hídfedélzet egyik felülete ki lehet téve az esőnek, miközben egy másik felület a szivárgó hézagok miatt nedves marad. Egy tengerparti mellvéd tenger felőli oldala sós permetet kaphat, felső korlátja alatt pedig sólerakódásokat tarthat vissza. Egy ipari szerkezet egy technológiai kibocsátási pontnál koncentrált kén-dioxidnak vagy más gázoknak lehet kitéve. Mindegyik esetben ugyanaz az acélminőség eltérően viselkedhet a szerkezet különböző részein. A vízelvezetést, az árnyékolást és a szellőzést a környezeti kitettségi térképpel együtt kell felülvizsgálni, nem pedig csak a korrózió megjelenése után.

Az ellenőrzésnek ki kell terjednie a talajszintről legkevésbé látható helyekre is: a párkányok alsó oldalára, a bekötőlemezek mögötti részekre, a szekrényes szelvények belsejére, a vízelvezető furatok környezetére, az átlapolt kötésekre és a felhalmozódott lerakódások alatti területekre. Az ellenőrzési időközöket úgy kell meghatározni, hogy az eltömődött kifolyókat és a tartós nedvességet még azelőtt korrigálni lehessen, hogy a keresztmetszet-vesztés jelentőssé válna. A dokumentációban meg kell különböztetni a foltosodást, a felületi vízkő- vagy rozsdaréteget, az aktív lyukkorróziót és a vastagságvesztést; a barna megjelenés önmagában nem bizonyítja, hogy a patina stabilizálódott.

Az összeférhetetlen fémek érintkezésének és a szennyeződés útvonalainak elkerülése

Nem szabad feltételezni, hogy az időjárásálló acél elektrokémiailag kompatibilis minden szomszédos anyaggal. Elektrolit jelenlétében egy nemesebb fémmel való érintkezés az időjárásálló acél galvanikus korrózióját okozhatja, különösen akkor, ha a katódos anyag nagy kitett felülettel rendelkezik, míg az acél érintkezési zónája kicsi. A rozsdamentes acélból készült szerelvények, a réztartalmú alkatrészek, a bronz szerelvények és bizonyos alumíniumkialakítások esetében külön értékelni kell az érintkezést, a szigetelést, a vízvisszatartást és a vízelvezetést. Nem önmagában a száraz érintkezés jelent problémát, hanem a fémeket összekötő vezetőképes nedves film vagy megrekedt oldat.

A részleteknek lehetőség szerint meg kell akadályozniuk a különböző fémekből álló galvanikus párok kialakulását, vagy elektromosan el kell választaniuk az anyagokat, és meg kell akadályozniuk, hogy az egyik fémről lefolyó víz a másikra jusson. A kötőelemeket, alátéteket, hézagolólemezeket, csapágyalkatrészeket, korlátszerelvényeket és vízelvezetési szerelvényeket a kapcsolat részeként kell felülvizsgálni, nem pedig jelentéktelen kiegészítőkként kezelni. A szigetelőanyagok maguk is visszatarthatják a vizet vagy rést hozhatnak létre, ezért a részletnek a szétválasztás biztosítása után is ellenőrizhetőnek és vízelvezetőnek kell maradnia.

A lefolyóvíz emellett szennyeződési útvonalakat is létrehoz. A bevonat nélküli, időjárásálló acélfelületről származó rozsdás víz elszínezheti a betont, a követ, a vakolatot, a burkolatot és a festett acélt. Az elszíneződés akkor is elfogadhatatlan lehet, ha a szerkezeti korrózió sebessége még elfogadható. A kivágásokból, mellvédekről és kitett lemezélekről lecsöpögő vizet szándékos lejtésekkel, cseppentőélekkel és szabályozott kifolyási pontokkal kell elvezetni a látható felületektől. Az a cseppentőél, amely az alsó övre vezeti a vizet, csupán ott koncentrálja a korróziót; a teljes útvonalat a nedvesedő felülettől a végső kifolyóig figyelembe kell venni.

A betoncsatlakozások gondos kialakítást igényelnek, mivel a repedések, hézagok és porózus felületek szennyezett vizet tarthatnak vissza az acéllal szemben. A földdel érintkező vagy visszatöltött élek különösen rossz jelöltek a bevonat nélküli időjárásálló acél alkalmazására, összhangban az SCI Guidance Note 1.07 korlátozásaival. A részletképzésnek vagy olyan körülményeket kell biztosítania, amelyek lehetővé teszik az acél kiszáradását, vagy a rejtett környezethez illeszkedő védelmi stratégiát kell alkalmaznia.

Végül a rajzokon meg kell jelölni a korrózió szempontjából veszélyeztetett zónákat, hogy azok hozzáférhetők legyenek és a jövőben vizsgálhatók maradjanak. A kötést elrejtő, a kifolyót eltorlaszoló vagy a lefolyóvizet egy kapcsolatra vezető geometria növeli a karbantartástól való függőséget. Az időjárásálló acél feltételesen alkalmazható megoldás a légköri korrózióval szembeni tervezésben; teljesítményét az ötvözet, a környezeti kitettség és a részletképzés együttesen határozza meg. (1047 szó)

Hídszerkezeti kialakítás, lyukkorrózió és fáradás

Az időjárásálló acél nem mentesül a hidak tartóssági tervezésének követelményei alól. Egy híd készülhet ASTM A709/A709M Grade 50W vagy más, időjárásálló acélra vonatkozó jelölésű anyagból, és mégis káros korrózió léphet fel, ha víz, kloridok, szennyeződések vagy ipari lerakódások maradnak az acélon. A légköri korrózióval szembeni ellenállás megfelelő kitettségi körülmények között csökkenti a korrózió sebességét és megváltoztatja annak formáját; azonban nem biztosít immunitást, és nem szünteti meg a fáradási részletek megtervezésének, az ellenőrzéshez szükséges hozzáférés biztosításának vagy a vízelvezetés szabályozásának szükségességét.

A lyukkorrózió mint szerkezeti és fáradási kockázat

Az FHWA fáradási útmutatója leírja a patina várható kialakulását váltakozó nedves és száraz időszakok során. A kezdeti oxidáció rozsdaréteget hoz létre, és az ismételt kitettség ezt a réteget viszonylag tömör, tapadó felületi filmmé alakíthatja, amely lassítja a további korróziót. A folyamat a kiszáradástól függ. Az a felület, amely folyamatosan nedves marad, sós permetnek van kitéve, vagy szennyezett elfolyó vizet gyűjt össze, nem ugyanazon a kitettségi sorozaton megy keresztül, mint egy nyitott, szabadon víztelenedő lemez.

Ez a különbség azért fontos, mert az időjárásálló acél korróziója nem mindig a vastagság egyenletes csökkenését jelenti. A lyukkorrózió helyi bemélyedéseket hozhat létre, amelyek a felületi profil élesebb változásaival járnak, mint amit az átlagos korróziós veszteség jelezne. Az átlagos vastagságcsökkenés mérsékeltnek tűnhet, miközben a fennmaradó acélban kis területeken lényegesen nagyobb mértékű behatolás alakult ki. Egy fáradásra érzékeny helyen a korróziós gödör bemetszésként viselkedik: növeli a helyi feszültséget, megváltoztatja a feszültséggradienst, és kiindulási helyet biztosíthat egy fáradási repedés számára.

LyukkorrózióLyukkorrózió Lokalizált korrózió, amely a környező általános korróziónál nagyobb behatolású üregeket vagy bemélyedéseket hoz létre.

A korróziós gödörnél keletkező repedés olyan feszültségtartományok hatására is növekedhet, amelyek sima, névlegesen teljes vastagságú alapanyagban nem okoztak volna repedést. A kockázat nagyobb a gerinclemezek szélein, furatoknál, hegesztési varratlábaknál, szakaszos érintkezési felületeken, keret- és merevítőcsatlakozásoknál, toldási tartományokban, valamint más olyan részleteknél, ahol már eleve geometriai feszültségkoncentrációk vannak jelen. A lyukkorrózió az ultrahangos vastagságméréseket is megnehezíti, mivel egyetlen mérés elkerülheti egy szabálytalan üreg legmélyebb részét. Ezért a méréseknek nemcsak az átlagos veszteséget kell meghatározniuk, hanem a korrózió eloszlását és maximális mélységét is azonosítaniuk kell.

Az FHWA kézikönyvének figyelmeztetése egyértelmű: a lyukkorrózió befolyásolja az időjárásálló acél fáradási méretezését. Ezért a patinát nem szabad állandó, garantált vastagságú vagy teljesítményű bevonatként leírni. A patina környezeti eredetű termék, amelynek minősége az ötvözettől, a kitettség előzményeitől, a felület geometriájától és a nedvesedés időtartamától függ. A kloridlerakódások különösen fontosak, mivel higroszkóposak maradhatnak, meghosszabbítva a felület nedvességtartalmát és megzavarva a stabil rozsdaréteg kialakulásához szükséges körülményeket.

Az ötvözet kémiai összetétele befolyásolja az eredményt, de a kémiai összetétel önmagában nem képes ellensúlyozni a nem megfelelő szerkezeti kialakítást. A 2009-ben közzétett FHWA-kutatás ismerteti a mangán, a szilícium, a króm, a nikkel, a réz, a molibdén és a foszfor hagyományos alkalmazását az időjárásálló acélokban, továbbá vizsgálja a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfémek hozzáadását is. A 2011-es, javított korrózióállóságú acélokra vonatkozó kutatás szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziósindex-értéke 6 és 7 között volt; a kutatás a kloridtartalmú légkörökben lényegesen jobb ellenállás érdekében a 9,5 körüli vagy annál magasabb értékeket célozta meg. Ezek az értékek összehasonlító mutatók, nem pedig engedély arra, hogy figyelmen kívül hagyják a híd kitettségi körülményeit.

Az ASTM G101-04(2010) módszereket ad a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövidebb időtartamú kitettségi adatokból történő becslésére, valamint a kis ötvözésű acél légköri korrózióval szembeni relatív ellenállásának kémiai összetétel alapján történő becslésére. Az ISO 9223:2012 a légköri korrózióképességet szabványos próbatestek első éves korróziós sebességei alapján osztályozza, és kulcsfontosságú tényezőként azonosítja a hőmérséklet- és páratartalom-hatásokat, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben szálló sótartalmat. Egyik szabvány sem teszi a helyszíntől független patinafeltételezést a szerkezeti tervezés alapjává.

Az AASHTO szerinti fáradási kategória kezelése

A hídrészlethez rendelt fáradási kategória az ismétlődő feszültségciklusokkal szembeni ellenállást írja le, de a kategóriát nem önmagában a névleges acélminőség határozza meg. A hegesztés geometriája, a csatlakozás típusa, a furatok, a hozzáerősített elemek, a felület állapota, a maradó feszültség és a korróziós kitettség mind befolyásolják a fáradási teljesítményt. Az időjárásálló acél sajátos kockázatot jelent, mivel a helyi korrózió megváltoztathatja azt a felületi állapotot, amely alapján a fáradási tervezési feltételezést meghatározták.

Az FHWA Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue című kézikönyve ismerteti, hogy az idézett AASHTO szerinti eljárás alapján a sima, bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyaga a lyukkorrózió miatt egy fáradási kategóriával alacsonyabb besorolást kap, mint az összehasonlítható, nem időjárásálló acél. Ez az anyagállapotra vonatkozó tervezési csökkentés, nem pedig annak állítása, hogy minden időjárásálló acélból készült csatlakozásra egyetlen univerzális kategória vonatkozik. Az alkalmazandó AASHTO LRFD fáradási kategória továbbra is a tényleges részlettől és az arra irányadó feszültségtartománytól függ.

Ez a különbségtétel megakadályoz két ellentétes hibát. Helytelen a közönséges bevonat nélküli acél fáradási teljesítményét alkalmazni pusztán azért, mert a rozsdaréteg érettnek látszik. Ugyanakkor az is helytelen, ha minden hegesztett vagy csavarozott részletet önkényesen, meghatározott mértékben csökkentenek anélkül, hogy ellenőriznék az AASHTO szerinti részletbesorolást. Az ASTM A709/A709M Grade 50W acélból készült lemezt alapanyagként, egyszerű igénybevételi állapotban másképpen kell kezelni, mint ugyanebből a specifikáció szerinti anyagból készült hegesztett hozzáerősítést, mivel a hegesztési részlet saját fáradási viselkedéssel és feszültségkoncentrációval rendelkezik.

A fáradási méretezésnek figyelembe kell vennie a forgalom, a szél, a hőhatások, a másodlagos alakváltozások és a kényszererők által létrehozott feszültségtartományt. A névleges feszültségtartomány kiszámítható helyesen, miközben a korróziós gödörnél, a hegesztési varratlábnál, a kivágásnál, a furatnál vagy a korróziós barázdánál kialakuló helyi tartomány sokkal nagyobb. Ahol a korrózió csökkentette a vastagságot, ugyanaz az erő magasabb névleges feszültséget is eredményez. Ezek a hatások összeadódhatnak: a keresztmetszet-veszteség növeli a névleges feszültséget, míg a lyukkorrózió növeli a helyi koncentrációs tényezőt.

A törési szempontokat ugyanebben az értékelésben kell kezelni. Egy kis fáradási repedés egy ideig stabil maradhat, majd gyorsan növekedhet, ha a fennmaradó nettó keresztmetszet lecsökken, vagy ha egy rideg, töréskritikus tartomány korlátozott repedésmegállító képességgel rendelkezik. Az alacsony hőmérséklet, a húzó maradó feszültség és a kedvezőtlen repedésirány tovább csökkentheti a biztonsági tartalékot. Ezért az időjárásálló acélt úgy kell kiválasztani és részletezni, hogy a híd törésbiztonsági követelményeit, szívóssági előírását, fáradási kategóriáját és ellenőrzési tervét együttesen vegyék figyelembe.

A korrózió, a feszültségtartomány és az ellenőrzés kölcsönhatása

A helyszínre vonatkozó döntés még az acél meghatározása előtt kezdődik. A 2003-as FHWA-útmutató előírja a nedvesedési idő, a kloridkitettség, az ipari szennyező anyagok, a vízelvezetés, a geometria és a karbantartási körülmények értékelését, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acélt választanának. Egy jégmentesítő sóval kezelt úttest felett átvezető híd, a levegőben szálló sótartalomnak kitett tengerparti szerkezet és a gyorsan kiszáradó vidéki híd nem azonos korróziós környezetben helyezkedik el. Az ISO 9223:2012 osztályozási keretet biztosít, de továbbra is szükség van a projekt kitettségi adatainak és a helyi szerkezeti kialakításnak a figyelembevételére.

A vízcsapdák egyszerre jelentenek fáradási és korróziós részletet. A vízszintes párkányok, a merevítők végei, a nem megfelelően tömített keskeny rések, a rosszul tömített toldási felületek, a szennyeződésgyűjtő üregek és az eltömődött víznyelők jóval azután is nedvesen tarthatják az acélt, hogy a szomszédos felületek már kiszáradtak. Az egyik szerkezeti elemről lefolyó víz a másikon koncentrálhatja a kloridokat. A SteelConstruction.info és az SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezetet, a magas klorid- vagy sós permetterhelést, a koncentrált ipari füstgázokat, valamint a földdel érintkező körülményeket a bevonat nélküli, időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozottan alkalmazható felhasználási területei közé sorolja. Az eltérő fémek érintkezése és a rossz szellőzés további helyi korróziós cellákat hozhat létre.

A feszültségtörténetet össze kell kapcsolni a várható korróziós mintázattal. Egy kis ciklusszámú, nagy feszültségű részletet néhány súlyos esemény határozhat meg, míg a tehergépkocsik milliónyi terhelési ciklusának kitett hídtartó érzékeny a fáradási ellenállás kis változásaira. Ha egy csatlakozásnál lyukkorrózió várható, a tervezés nem támaszkodhat névleges korróziós ráhagyásra úgy, mintha a veszteség egyenletes lenne. Megfelelőbb lehet a vízelvezetés javítása, a rések tömítése, cserélhető elemek alkalmazása, kiválasztott zónák védőbevonattal való ellátása, illetve más acél- és karbantartási stratégia alkalmazása.

Az ellenőrzés ezt követően igazolja, hogy a tervezési feltételezések továbbra is érvényesek-e. Az ellenőröknek rögzíteniük kell az aktív rozsdásodást, a laza reve- és rozsdaréteget, a korróziós gödrök mélységét, a vízvisszatartást, a kloridlerakódásokat, a réteges rozsdát, a keresztmetszet-veszteséget, a repedésszerű jelzéseket, valamint a hegesztéseknél és hozzáerősített elemeknél bekövetkező változásokat. Önmagában a látható szín gyenge bizonyíték. A sötét vagy rétegzett felület utalhat kialakuló patinára, de nem határozza meg a korróziós gödrök maximális mélységét vagy a fáradással szembeni biztonságot.

Az ellenőrzési időközöknek és módszereknek összhangban kell lenniük a következmények súlyosságával, a részlet kategóriájával, a forgalmi terheléssel, a kitettség súlyosságával és a hozzáférés nehézségével. A közeli szemrevételezéses vizsgálatot szükség esetén ultrahangos vastagságtérképezéssel, korróziós gödörmélység-mérő műszerekkel, mágnesporos vizsgálattal, penetrációs vizsgálattal vagy más repedéskimutatási módszerekkel kell kiegészíteni a fáradásra érzékeny helyeken. A megállapításokat vissza kell vezetni a szerkezeti modellbe: a mért keresztmetszet-veszteség megváltoztathatja a feszültségtartományt, a kimutatott repedés pedig módosíthatja a törésbiztonsági és teherbírási értékelést.

A légköri korrózió tervezése ezért a fáradási tervezés része. A patina megfelelő nedvesedési és kiszáradási körülmények között mérsékelheti a folytatódó korróziót, de a híd továbbra is helyi feszültségnövelő helyekkel, ismétlődő forgalmi ciklusokkal és ellenőrzési kötelezettségekkel rendelkező teherhordó rendszer marad. A megfelelő időjárásállóacél-tervezés meghatározza az ötvözetet és az AASHTO szerinti fáradási kezelést, szabályozza a víz és a szennyező anyagok jelenlétét, számol a lyukkorrózióval, és biztosítja a gyakorlati kapcsolatot az ellenőrzési megállapítások, valamint a javítás vagy megerősítés között.

Az időjárásálló acél alkalmazása az ASTM A709 szerinti hídszerkezeti acélgyakorlatban

Az ASTM A709 szerinti anyag- és tervezési szempontok

Az ASTM A709/A709M hídszerkezeti acélokra vonatkozó anyagszabvány, nem pedig a bevonat nélküli, időjárásálló szerkezetekre vonatkozó általános megjelölés. Fokozatai többek között az ASTM A709 Grade 36, Grade 50, Grade 50W, HPS 50W és HPS 70W, az alkalmazandó kiadásban meghatározott további fokozatok mellett. A „W” jelölés az időjárásálló acélra vonatkozó követelményeket azonosítja, önmagában azonban nem bizonyítja, hogy egy híd minden helyszínen festés nélkül fenntartható. A fokozat kiválasztását, a kiegészítő követelményeket, a hegeszthetőséget, a szívósságot, a törésbiztonságot, a gyártást és a szerkezeti ellenállást továbbra is a projekttervezés keretében kell vizsgálni.

A Steel Bridge Design Handbook a légköri korrózióval szembeni ellenállást és az időjárásálló acélra vonatkozó követelményeket az ASTM A709 szerinti hídszerkezeti acélok szélesebb anyag- és tervezési keretébe helyezi. Ennek fontos következménye van. A hídmérnök nem úgy választja ki először az időjárásálló acélfokozatot, hogy ezután a korróziót különálló bevonattervezési kérdésként kezeli. A megjelölésnek összhangban kell állnia az előírt szilárdsággal és szívóssággal, miközben a környezeti kitettség értékelése határozza meg, hogy a légköri korrózióra vonatkozó rendelkezések a szándékolt módon teljesíthetnek-e. A kapcsolatok tervezése, a fáradási ellenállás, a hegesztési részletek és az ellenőrzéshez való hozzáférés festési rendszer előírásának hiányában is szerkezeti kérdés marad.

Az időjárásálló acél kis széntartalmú, ötvözött acél, amely ismétlődő nedvesedés és száradás hatására viszonylag tömör, tapadó rozsdaréteget képez. Ez a réteg nem vízzáró bevonat, és a légköri korrózióval szembeni ellenállás nem jelent korróziómentességet. A kezdeti oxidáció akkor indul meg, amikor a nedvesség eléri az acélt. A patinaréteg lelassíthatja a későbbi anyagveszteséget, ha a felület a nedves időszakok között kiszárad, ez azonban az ötvözet összetételétől, a szennyezőanyag-terheléstől, a kloridlerakódástól, a hőmérséklettől, a páratartalomtól és az acélelem geometriájától függ.

A kémiai összetételt ezért az alkalmazandó ASTM A709/A709M-fokozat és a projektspecifikáció követelményei alapján kell kezelni, nem pedig egy feltételezett általános receptúra szerint. Az FHWA kutatásai a történeti ötvözési fókusz elemeiként a mangánt, a szilíciumot, a krómot, a nikkelt, a rezet, a molibdént és a foszfort írják le; a későbbi korróziós vizsgálatok a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfém-adalékok hatását is vizsgálták. Az ASTM G101-04(2010) módszereket ad a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövid távú kitettségi adatokból történő becslésére, valamint az ötvözetlen kisötvözésű acél relatív légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő meghatározására. Ezek a módszerek az összehasonlítást és az előrejelzést segítik. Nem teszik szükségtelenné a tényleges híd-környezet vizsgálatát.

Az FHWA továbbfejlesztett korrózióálló acélokra irányuló programja szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziós indexértéke 6 és 7 között volt, miközben a kutatás célja a legalább körülbelül 9,5-ös érték elérése volt a kloridtartalmú légkörben biztosított lényegesen jobb ellenállás érdekében. Ez arra figyelmeztet, hogy nem szabad minden időjárásálló acélmegjelölést azonos szolgálati viselkedésűnek tekinteni. Az összetétel befolyásolja a teljesítményt, de a kedvező indexérték nem ellensúlyozhatja az állandóan nedves övlemezt, a sót csapdába ejtő kapcsolatot vagy a szennyezett vízelvezetési útvonalat.

A légköri korrózióval szembeni ellenállás a hídszerkezeti előírásokban

A kitettséget azelőtt kell osztályozni, hogy bevonat nélküli, ASTM A709 szerinti időjárásálló acélt fogadnánk el. Az ISO 9223:2012 a korrozivitási osztályozást szabványos próbatestek első éves korróziós sebességére alapozza, és kulcsfontosságú tényezőként azonosítja a hőmérséklet és a páratartalom hatását, a kén-dioxid okozta szennyezést, valamint a levegőben levő sótartalmat. Az osztályozás környezeti keretrendszer, nem pedig egy adott hídelem élettartamára vonatkozó ígéret. A helyi kitettség súlyosabb lehet annál, mint amit a helyszín általános jellemzése sugall, különösen a jégmentesítő sóval kezelt útvonalak, a tengerpartok, az ipari létesítmények és a sótartalmú permetet keltő forgalmi sávok közelében.

Az FHWA útmutatása szerint a bevonat nélküli időjárásálló acél kiválasztása előtt helyspecifikusan kell értékelni a nedvesedés időtartamát, a kloridkitettséget, az ipari szennyezőanyagokat, a vízelvezetést, a geometriát és a karbantartást. Ezek a tényezők kölcsönhatásban állnak egymással. Egy nyitott pályalemez alatti főtartó gyorsan kiszáradhat, miközben egy szivárgó dilatációs szerkezet alatti toldólemez hosszú ideig nedves maradhat. Egy általánosságban enyhe, vidéki légkörben álló hídon is kialakulhat káros korrózió ott, ahol a törmelék eltömít egy víznyílást, vagy ahol a lefolyóvíz egy merevítőlemez végén összpontosul.

Az SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezetet, a nagy klorid- vagy sószórási kitettséget, a koncentrált ipari gázokat, valamint a földbe temetett körülményeket a bevonat nélküli, időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozottan alkalmazható esetei közé sorolja. A só különösen problémás, mivel a kloridlerakódások fenntarthatják az elektrolitként viselkedő nedvességet és megzavarhatják a patinaréteg stabilizálódását. A kén-dioxid és más ipari szennyezőanyagok szintén növelhetik a korróziós sebességet. Ha a kitettség nem szabályozható, védőbevonati rendszerre, korrózióálló részletképzésre, alternatív anyagra vagy ezen intézkedések kombinációjára lehet szükség; önmagában az időjárásálló acél megjelölése nem megfelelő specifikáció.

A National Steel Bridge Alliance ismertetője szerint a védő patinaréteg kialakulásához ismétlődő nedvesedés és száradás szükséges. Ez magyarázza, hogy egy híd szabadon kitett gerincfelületein vonzó barna oxidréteg jelenhet meg, miközben a korrózió a védett párkányokon, a toldási felületeken vagy az alsó övlemezeken tovább folytatódik. A légköri korróziós adatokat áttekintő szakirodalom a stabilizálódási időt, az állandósult korróziós sebességet, a kitettségi körülményeket és a hosszú távú előrejelzés bizonytalanságát is különálló kérdésként kezeli. A több évszak után egyenletesnek látszó rozsdaréteg nem bizonyítja, hogy a korrózió leállt, és a látható szín alapján sem határozható meg a tervezési korróziós ráhagyás.

A fáradási méretezés további, anyagspecifikus szempontot vet fel. Az FHWA fáradási útmutatása szerint az időjárásálló acél váltakozó nedves és száraz ciklusok során alakítja ki patinarétegét, ugyanakkor arról is beszámol, hogy az AASHTO a festetlen időjárásálló acél alapanyagát a hasonló, nem időjárásálló acélhoz képest egy fáradási kategóriával alacsonyabb osztályba sorolja a lyukkorrózió miatt. A csökkentés a helyi felületi károsodást és a feszültségkoncentrációt veszi figyelembe. Ez azt jelenti, hogy a korrózió szempontjából történő kiválasztás nem választható el a feszültségtartományok számításától, a részletosztályozástól és az ellenőrzés megtervezésétől.

Az anyagkiválasztás és a szerkezeti részletképzés összehangolása

Az időjárásálló acélból készült híd akkor működik jól, ha az anyagkiválasztás és a vizet elvezető geometria összhangban van egymással. A részletképzésnek meg kell akadályoznia a víz és a törmelék felhalmozódását, biztosítania kell a zárt vagy részben zárt terek vízelvezetését, továbbá lehetővé kell tennie az elemek kiszáradását és a kritikus felületek ellenőrzését. A rések, a keskeny párkányok, a tömítetlen átfedések és a rosszul szellőző üregek meghiúsíthatják a patinaréteg kialakulásához szükséges környezeti feltételeket. A tervezésnek a lefolyási elszíneződést is szabályoznia kell ott, ahol a rozsdaszínű víz elvezetése hatással lehet a betonra, a sarukra, a dilatációs szerkezetekre vagy a szomszédos ingatlanokra.

A vízelvezető furatoknak hozzáférhetőnek kell maradniuk, és úgy kell kivezetniük a vizet, hogy az ne nedvesítsen meg egy másik acélfelületet. Különös figyelmet érdemelnek a pályalemez dilatációs szerkezetei, mivel a szivárgás koncentrált kloridforrást hozhat létre a főtartók végeinél és a keresztkeret-kapcsolatoknál. A végkereteket, a merevítőlemez-részleteket és a toldási zónákat meg kell vizsgálni a megrekedt víz, a sófelhalmozódás és a tisztításhoz való hozzáférés szempontjából. Az összeférhetetlen fémek galvanikus hatásokat okozhatnak, míg a földbe temetett vagy részben beágyazott acélfelületek nedvességi viszonyai eltérnek a szabadon kitett légköri felületekétől.

Ugyanezen felülvizsgálatnak a jövőbeni karbantartást is érintenie kell. Egy olyan részlet, amely nem mosható, nem ellenőrizhető vagy nem javítható, a kezelhető kitettséget tartós korróziós hellyé változtathatja. Az ellenőrzési időközöket a kloridfelhasználáshoz, az ipari szennyezéshez, a vízelvezetés teljesítményéhez és a megfigyelt keresztmetszet-veszteséghez kell igazítani, nem pedig arra a rögzített feltételezésre támaszkodni, hogy a patinaréteg állandó.

A Steel Bridge Design Handbook szélesebb keretrendszere ezért egyértelmű tervezési állásponthoz vezet: az ASTM A709/A709M szerinti fokozatmegjelölést, az anyagkövetelményeket, a kitettségi osztályozást, a korrózió előrejelzését, a fáradási kezelést és a szerkezeti részletképzést össze kell hangolni. A bevonat nélküli időjárásálló acél feltételekhez kötött rendszer. Csökkentheti a festéstől való függőséget, ha az ötvözet, a légkör, a vízelvezetés és az ellenőrzési feltételek támogatják a patinaréteg kialakulását, de nem helyettesíti a környezeti értékelést vagy a szakszerű hídtervezést.

Bevonatos, bevonat nélküli és hibrid korrózióvédelmi stratégiák

Az időjárásálló acél alkalmazása nem szünteti meg a korróziótervezés szükségességét. Megváltoztatja a védelem biztosításának módját: a tervező az elsődlegesen gyártott bevonatra való hagyatkozás helyett az ötvözettől függő rozsdarétegre támaszkodhat, amely ismétlődő nedvesedés és száradás során alakul ki. Ez a választás feltételekhez kötött. Ha a környezet nem képes stabil patina kialakulását támogatni, bevonatrendszerre, helyi korrózióvédelemre, módosított geometriára vagy ezen intézkedések kombinációjára lehet szükség.

A három stratégia nem felcserélhető megnevezéseket takar. A bevonat nélküli kialakítás nagyobb követelményeket támaszt az acél kémiai összetételével, a környezeti kitettség értékelésével és a vízelvezetéssel szemben. A bevonatos kialakítás esetében nagyobb jelentősége van a felület-előkészítésnek, a bevonat specifikációjának, az élek kezelésének, a javításnak és az ellenőrzésnek. A hibrid kialakítás megosztja ezeket a követelményeket: a megfelelő felületek bevonat nélkül maradnak, miközben védelemben részesülnek azok a zónák, ahol a víz, a sók vagy a szennyezőanyagok elfogadhatatlan korróziós kockázatot teremtenek.

Amikor bevonat nélküli időjárásálló acél alkalmazását mérlegelik

Bevonat nélküli időjárásálló acél alkalmazása csak akkor indokolt, ha az üzemi környezetet és a tervezett részletképzéseket együttesen értékelték. Az acélt olyan légköri kitettségnek kell érnie, amelyben elegendő számú váltakozó nedvesedési és száradási periódus áll rendelkezésre ahhoz, hogy viszonylag tömör, jól tapadó rozsdaréteg alakuljon ki. A National Steel Bridge Alliance 2010-es útmutatója a védőpatina kialakulásának feltételeként az ismétlődő nedvesedést és száradást azonosítja; a tartós nedvesség nem biztosítja ugyanezt a kitettségi sorrendet.

Az anyagmegjelölés szintén fontos. A légköri korrózióállóság az ötvözet kémiai összetételétől függ, nem pusztán az „időjárásálló acél” elnevezéstől. A hagyományos időjárásálló acél-összetételek a mangánra, a szilíciumra, a krómra, a nikkelre, a rézre, a molibdénre és a foszforra összpontosítanak. A Federal Highway Administration kutatásai a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfém-adalékok alkalmazását is vizsgálták. Az ASTM G101-04(2010) módszereket ad a kémiai összetétel alapján meghatározható relatív légköri korrózióállóság, valamint a rövidebb kitettségi adatokból becsülhető hosszabb távú anyagveszteség meghatározására. Ez értékelési módszer, nem pedig garancia arra, hogy egy adott szerkezeten elfogadható patina alakul ki.

Az ISO 9223:2012 hasznos környezeti keretrendszert biztosít. A légköri korróziós osztályok a szabványos próbatestek első évi korróziós sebességét használják, és figyelembe veszik a hőmérséklet és a páratartalom hatását, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben szálló sótartalmat. Ezért egy kizárólag az általános éghajlat alapján meghatározott helyszíni besorolás fontos helyi különbségeket rejthet: egy védett alsó felület, egy útmenti felverődési zóna, egy tenger felé néző homlokzat és egy ipari kibocsátási csóva ugyanazon projekten belül is eltérő korróziós körülményeknek lehet kitéve.

Az FHWA 2003-as útmutatója előírja a nedvesedés időtartamának, a kloridterhelésnek, az ipari szennyezőanyagoknak, a vízelvezetésnek, a geometriának és a karbantartásnak a konkrét vizsgálatát, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acélt választanak. Ezeket a tényezőket a részletképzés szintjén kell megvizsgálni. A kapcsolólemez mögött, a merevítő belsejében, felgyülemlett szennyeződés alatt vagy egy rosszul víztelenített övlemezen megrekedt víz hosszú ideig nedvesen tarthatja az acélt azután is, hogy a szomszédos felületek már megszáradtak. Az így kialakuló korrózió koncentrált maradhat, ahelyett hogy az általános légköri kitettségi modellben feltételezett, viszonylag egyenletes felületi oxidáció formájában jelentkezne.

A geometria döntő lehet. A lejtős felületek, a nyitott végek, a hozzáférhető párkányok és a megfelelő méretű vízelvezetési útvonalak elősegítik a víz távozását a szerkezetből. A keskeny rések, a vízszintes üregek, a szivárgási útvonalakkal rendelkező zárt terek, valamint azok a helyek, ahol zúzalék vagy levelek gyűlnek össze, gátolják a patina stabilizálódását. A különböző fémek érintkezésére is figyelmet kell fordítani, mivel a galvanikus hatások módosíthatják a helyi korróziós viselkedést.

A bevonat nélküli megoldás kiválasztásakor a szerkezeti következményeket is figyelembe kell venni. A lyukkorrózió nagyobb feszültségkoncentrációt hozhat létre, mint a viszonylag egyenletes vastagságvesztés. Az FHWA kifáradással kapcsolatos útmutatója szerint az AASHTO a sima, bevonat nélküli időjárásálló acélból készült alapanyagot a hasonló, nem időjárásálló acélhoz képest egy kifáradási kategóriával alacsonyabbra sorolja a lyukkorrózió miatt. Ezért a kifáradás szempontjából érzékeny részletek nem igazolhatók pusztán a korróziós sebesség általános csökkenésének feltételezésével. A hegesztett kapcsolatok, a szerelvények, a csavarlyukak és az ismétlődő igénybevételnek kitett területek külön kifáradási és ellenőrzési értékelést igényelnek.

Az ötvözet akkor is alkalmatlan lehet, ha a környező levegő tisztának tűnik. Az FHWA 2011-ben közzétett kutatása szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziós indexe 6 és 7 között volt, miközben a kutatás a kloridtartalmú légkörben lényegesen javított ellenállás érdekében legalább körülbelül 9,5-ös értékeket irányzott elő. Ez a megállapítás egyértelmű tervezési álláspontot támaszt alá: a hagyományos időjárásállóacél-összetételt nem szabad a sóval szennyezett környezetnek való kitettség univerzális megoldásaként kezelni.

Amikor a környezeti korlátok további védelmet tesznek szükségessé

A bevonat alkalmazása indokoltabbá válik, ha a környezet megakadályozza a megbízható patinaképződést, vagy ha a helyi korrózió következményei súlyosak. Az SCI Guidance Note 1.07 (2015) a folyamatosan nedves vagy nyirkos körülményeket, a nagy klorid- vagy sópermet-terhelést, a koncentrált ipari gázokat és a talajba temetett körülményeket a bevonat nélküli, időjárásálló acél alkalmatlan vagy korlátozott alkalmazási területeiként azonosítja. Ezek a korlátok nem csupán a nyílt tengeri környezetre vonatkoznak. Az utak jégmentesítésére használt só, a közúti forgalom által felvert permet, a szivárgó közművek, a zárt terekben kialakuló páralecsapódás és a szennyezett elfolyó víz hasonló problémákat okozhat.

A kiegészítő védelem kiterjedhet a teljes szerkezeti elemre vagy csupán kiválasztott zónákra. A teljes bevonat megfelelő lehet ott, ahol a kloridlerakódás, a kén-dioxid vagy a tartós páralecsapódás a legtöbb kitett felületet érinti. Helyi bevonat alkalmazható a felverődési zónákban, a pályaszerkezet vízelvezetési útvonalain, a tartóvégeken, a kapcsolati bemélyedésekben, a rejtett felületeken és a dilatációs szerkezetek közelében. A bevonatos és bevonat nélküli acél közötti határvonalat úgy kell kialakítani, hogy a víz ne juthasson védtelen élre, és ne rekedhessen meg a bevonat lezárásánál.

A hibrid stratégia az időjárásálló acélból készült szerkezeti elemeket bevonatos kapcsolati elemekkel, tömített csatlakozásokkal vagy korrózióálló kötőelemekkel is kombinálhatja, a galvanikus összeférhetőség és az irányadó anyagszabványok figyelembevételével. Nem szabad abból kiindulni, hogy egy bevonatos lemez minden kockázatot megszüntet a csavarkötések, a rések vagy a sérült élek környezetében. A védelmi rendszernek továbbra is ellenőrizhetőnek és javíthatónak kell lennie.

A részletképzés megváltoztatása legalább akkora előnyt jelenthet, mint a bevonat hozzáadása. A vízelvezetés javítása, a szennyeződésgyűjtő helyek megszüntetése, egy szellőztetett burkolat megnyitása, a különböző fémek elválasztása vagy a közvetlen, sóval terhelt elfolyás megakadályozása visszaállíthatja azokat a körülményeket, amelyek között a bevonat nélküli acél kiszámíthatóbban teljesít. Ezzel szemben egy vizuálisan kitett felület is bevonatot igényelhet, ha elhelyezkedése miatt koncentrált szennyeződés éri. A megjelenés nem jelent kitettségi osztályozást.

A bevonat kiválasztását az ellenőrzési időközhöz, a várható károsodáshoz és a javítási módszerhez kell kapcsolni. A felület-előkészítés, a hegesztési profil, az éles élek, a csavarok, a helyszíni illesztések és a bevonat vastagsága mind befolyásolják az üzemi teljesítményt. Ha a bevonat károsodása nem érhető el biztonságosan, egy bevonat nélküli vagy eltérő részletképzésű megoldás kezelhetőbb karbantartási terhet eredményezhet. Ezért a helyes összehasonlítás nem a „patina vagy festék”, hanem a teljes korrózióvédelmi rendszer vizsgálata a tervezett élettartam alatt.

Karbantartási feltételezések és ellenőrizhetőség

Minden stratégia karbantartási feltételezéssel jár. A bevonat nélküli időjárásálló acél azt feltételezi, hogy az ellenőrök meg tudják állapítani, egyenletesen fejlődik-e a rozsdaréteg, azonosítani tudják a vízvisszatartást, és eltávolítják a szennyeződést, mielőtt a helyi korrózió felgyorsulna. Azt is feltételezi, hogy a lefolyási elszíneződés, a rozsdapikkelyek és a közeli vizsgálathoz szükséges hozzáférés a kialakítás elfogadható következményei.

A bevonatrendszer a repedezés, a hólyagosodás, a leválás, a mechanikai sérülés, valamint az éleken vagy a hibás helyeken fellépő korrózió ütemezett ellenőrzését feltételezi. A javításhoz kompatibilis anyagokra, megfelelő időjárási körülményekre, valamint a tisztításhoz és az újrabevonáshoz szükséges hozzáférésre van szükség. Ha ezek a műveletek várhatóan nem hajthatók végre, a névleges bevonatélettartam nem szolgálhat a tervezés kizárólagos alapjául.

Az ellenőrzéshez szükséges hozzáférést még azelőtt ki kell alakítani, hogy a szerkezeti elemeket burkolnák, illetve forgalom, víz vagy berendezések fölé helyeznék. A vízelvezető kifolyóknak láthatónak és szabadon hozzáférhetőnek kell maradniuk. A rejtett felületek, a saruzónák, a kapcsolatok belső terei és a merevítők végei külön hozzáférési nyílásokat vagy ellenőrzési eljárásokat igényelhetnek. A felügyelet során nemcsak a keresztmetszet-veszteséget kell rögzíteni, hanem annak okát is: álló víz, sófelhalmozódás, bevonathiba, szennyeződés, szivárgás vagy nem megfelelő kitettségi feltételezés.

A karbantartás megtervezése a kifáradási méretezést is befolyásolja. A feszültségkoncentrációknál kialakuló lyukkorrózió és korrózió alaposabb vizsgálatot tehet szükségessé, mint egy nagy kiterjedésű, enyhén rozsdásodott felület. Az olyan kialakításnál, amely a korai felismeréstől függ, meg kell határozni, ki végzi az ellenőrzést, milyen állapot vált ki javítást, és hogyan kell a javítást végrehajtani. E rendelkezések hiányában a „bevonat nélküli” nem karbantartásmentes kategória; olyan kialakítást jelent, amely a védelem feladatait a vízelvezetésre, a kitettség szabályozására és az ellenőrzésre hárítja.

Vizsgálatok, expozíciós adatok és a hosszú távú korrózió előrejelzése

Laboratóriumi és légköri expozíciós vizsgálatok

Az időjárásálló acélt nem annak alapján vizsgálják, hogy megjelenik-e rajta a rozsda. A közönséges szénacél is rozsdásodik. A lényeges kérdés az, hogy az ötvözet a helyszínen ténylegesen bekövetkező nedvesedési, száradási, szennyeződési és tisztítási ciklusok mellett kellően tapadó, viszonylag kis áteresztőképességű rozsdaréteget képez-e. A laboratóriumi vizsgálatok mérhetik ezt a hajlamot, de egyetlen gyorsított vizsgálat sem képes minden légköri expozíciót reprodukálni.

Az összetétel az első változó. Az ASTM A242, az ASTM A588, valamint az ASTM A709/A709M szabvány szerint meghatározott hídszerkezeti acélok olyan szándékosan hozzáadott ötvözőelemeket tartalmaznak, amelyek módosítják a korróziós termékeket és azok tapadását. A hagyományos ötvözés elsősorban a mangánra, a szilíciumra, a krómra, a nikkelre, a rézre, a molibdénre és a foszforra összpontosított. A Federal Highway Administration 2009-ben közzétett kutatása a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfémek hozzáadását is vizsgálta. A cél nem egyszerűen az ötvözőtartalom növelése, hanem az elektrokémiai reakciók és a rozsdaréteg szerkezetének módosítása a hegeszthetőség, a szívósság, a szilárdság és a kifáradási teljesítmény veszélyeztetése nélkül.

Az ASTM G101-04(2010) két kapcsolódó módszert biztosít. Lehetővé teszi a hosszú távú légköri korróziós veszteség becslését rövid távú expozíciós eredményekből, továbbá lehetővé teszi egy kis ötvözőtartalmú acél relatív légköri korrózióállóságának becslését a kémiai összetétele alapján. Az összetételen alapuló korróziós index hasznos az egyes olvasztások vagy minőségek összehasonlítására, de nem jelent helyszíni engedélyezési tanúsítványt. Az FHWA kutatása szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti indexértéke 6 és 7 között volt, míg egy későbbi ötvözetfejlesztési program a kloridtartalmú légkörben lényegesen jobb ellenállás érdekében a 9,5 körüli vagy annál magasabb értékeket célozta meg. Ezek a számok egy indexet írnak le, nem pedig garantált élettartamot milliméterben.

Az ASM Handbook Corrosion of Weathering Steels című fejezete az expozíciós vizsgálatokat a kohászat és az üzemi körülmények közötti kapcsolatként kezeli. Tárgyalja az ötvözőelemek hozzáadását, az összetételen alapuló indexeket, a rozsdaréteg kialakulását és a korróziós vizsgálatokat, miközben olyan tervezési problémákra is hangsúlyt helyez, mint a rések, a bennrekedt szennyeződések és a tartós nedvesség. Egy laboratóriumi próbatest megmutathatja, hogy egy tervezett kémiai összetétel hajlamos-e tömör rozsdaréteg kialakítására. Azt azonban nem döntheti el, hogy egy hídszerkezeti toldás kellően száraz marad-e ahhoz, hogy ugyanígy viselkedjen.

A légköri expozíciós vizsgálatok biztosítják a hiányzó környezeti dimenziót. A próbatesteket reprezentatív helyszíneken helyezik el, meghatározott időközönként lemérik, megtisztítják, majd újra lemérik, miközben megfigyelik a rozsda megjelenését, a lefolyást és a helyi anyagkárosodást. Az ISO 9223:2012 a légköri korrózióképességet szabványos próbatestek első évi korróziós sebessége alapján osztályozza. Keretrendszere figyelembe veszi a hőmérséklet és a páratartalom együttes hatását, a kén-dioxid-szennyezést és a levegőben szálló sótartalmat. Ez az osztályozás hasznos az expozíció jellemzésére, de nem helyettesíti a tervezett szerkezet vizsgálatát. Egy védett gerendakarima, egy eső által mosott gerinclemez és egy sót felfogó toldás ugyanazon a hídon belül is eltérő korrózióképességi körülményeknek lehet kitéve.

A sópermet- vagy ciklikus korróziós vizsgálatok gyorsan rangsorolhatják az anyagokat, különösen akkor, ha a tervezési eset része a kloridszennyezés. A természetes expozíció gyenge helyettesítői, ha a vizsgálat folyamatosan elektrolitot biztosít, vagy mellőzi a száradást. Az időjárásálló acélnak ismételt nedvesedésre és száradásra van szüksége jellegzetes patinájának kialakításához. A folyamatosan nedvesen tartott próbatest olyan károsodást szenvedhet, amely szabadon víztelenedő légköri helyzetben nem következne be; a túl intenzíven szárított próbatest pedig nem feltétlenül képvisel egy tengerparti vagy ipari mikroklímát. Ezért a korróziós eredménnyel együtt mindig közölni kell a vizsgálat időtartamát, az oldat kémiai összetételét, a hőmérsékletet, a nedvesítési ciklust és a próbatest irányultságát.

Rövid távú adatok és hosszú távú viselkedés

A kezdeti tömegveszteség gyakran túl- vagy alábecsüli a későbbi teljesítményt. A kezdeti expozíció során a csupasz acél gyorsan reagál az anódos helyeken, a rozsdaréteg pedig porózus, repedezett vagy rosszul tapadó lehet. Megfelelő ciklusok mellett a korróziós termékek tömörebbé és védőbbé válhatnak, csökkentve a későbbi korróziós sebességet. Ez a csökkenés nem automatikus. A klorid a pórusokban maradhat, a kén-dioxid megsavanyíthatja a felületi nedvességet, az ismételt súrlódás vagy lefolyás pedig eltávolíthatja a kialakuló rozsdát.

A jelen cikkben hivatkozott, légköri korrózióval foglalkozó áttekintés a stabilizálódási időt és a későbbi állandósult korróziós sebességet külön mennyiségként kezeli. Egy próbatest több év elteltével csökkenő korróziós sebességet mutathat, azonban az ehhez az állapothoz szükséges idő az éghajlattól, a szennyezőanyag-terheléstől, az irányultságtól, a védettségtől és az ötvözet kémiai összetételétől függ. A stabilizálódás előtt befejezett rövid expozíció nem alapozhat meg hosszú távú korróziós sebességet. Ezzel szemben a kloridos nedvesítést erőltető rövid vizsgálat olyan veszteségi sebességet eredményezhet, amely nem alkalmazható egy eső által mosott, szárazföldi felületre.

Az ASTM G101 ezt a problémát úgy kezeli, hogy rövid távú expozíciós információkat használ a hosszabb távú veszteség becslésére, de a becslés feltételezéseket tartalmaz arra vonatkozóan, hogyan változik a sebesség az idővel. Az ilyen extrapoláció megalapozottabb, ha az expozíció története hasonlít a tervezett üzemi környezethez, és ha több expozíciós időszak is jelzi a tendenciát. Az extrapoláció megbízhatósága csökken, ha a helyszín körülményei változnak. Több, viszonylag tiszta expozíciós év után bevezethetik a jégmentesítő só használatát. Az út új vízelvezetési kialakítást kaphat. Az ipari kibocsátások csökkenhetnek, vagy működésbe léphet egy közeli forrás. Az ilyen változás előtt kalibrált modell nem terjeszthető ki egyszerűen, változatlan formában.

Az FHWA iránymutatása ezért a nedvesedés időtartamának, a kloridexpozíciónak, az ipari szennyezőanyagoknak, a vízelvezetésnek, a geometriának és a karbantartásnak a helyszínspecifikus felülvizsgálatát írja elő. Az SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos helyeket, a nagy klorid- vagy sópermet-expozíciót, a koncentrált ipari gázokat, valamint a földbe temetett körülményeket a bevonat nélküli, időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazásai közé sorolja. A SteelConstruction.info szintén hangsúlyozza a vízelvezetést, a szellőzést, valamint a víz vagy a szennyeződések felhalmozódásának megakadályozását. Ezek nem másodlagos részletképzési szempontok. Ezek határozzák meg, hogy a korróziós előrejelzéshez használt expozíció továbbra is érvényes-e az acél felületén.

A korróziós veszteséget el kell különíteni a látható elszíneződéstől is. A sötét, egyenletes patina helyi gödrösödést takarhat, míg a narancssárga lefolyás súlyosnak tűnhet anélkül, hogy ennek megfelelő keresztmetszet-veszteség állna fenn. A méréseknek ki kell terjedniük a tömegveszteségre vagy a vastagságmérésekre, a gödrök mélységére, a réskorrózióra, valamint az élek, a kapcsolatok és az érintkezési felületek állapotára. Egy kifáradás szempontjából érzékeny szerkezeti elem esetében a helyi gödrösödés akkor is jelentős, ha az átlagos vastagságveszteség csekélynek tűnik. Az FHWA kifáradással kapcsolatos iránymutatása rögzíti ennek tervezési következményét: az AASHTO a sima, bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagának egy kifáradási kategóriával alacsonyabb besorolást ad, mint az összehasonlítható, nem időjárásálló acélénak, a gödrösödés miatt. Ezért a kizárólag átlagos veszteséget előrejelző korróziós modell ciklikusan terhelt részletek esetében hiányos.

A rozsdaréteg stabilizálódása és az előrejelzési modellek

A hasznos előrejelzés a patinaképződést időfüggő válaszként kezeli, nem pedig a gyártás során felvitt állandó bevonatként. A váltakozó nedves és száraz ciklusok lehetővé teszik az oxidációs termékek átalakulását és tömörödését; a vízelvezetés és a szellőzés korlátozza az elektrolittal való érintkezés időtartamát. A réteg ezután csökkentheti a további károsodás sebességét. Teljesítménye továbbra is attól a környezeti egyensúlytól függ, amely a kialakulását előidézte.

Az előrejelzési modellek a korróziós veszteséget rendszerint az expozíciós idő függvényeként fejezik ki; a veszteség kezdetben meredeken nő, majd részleges stabilizálódás után alacsonyabb sebességre áll be. Az együtthatóknak összehasonlítható helyszíni adatokból kell származniuk. Egy vidéki próbatestekből kidolgozott modell nem vihető át közvetlenül egy kloriddal terhelt tengerparti hídra, és egy ISO 9223 szerinti első évi korrózióképességi osztály sem kezelhető élettartamra állandó értékként. Az ISO 9223 szabványos próbatestekkel írja le a kiindulási légköri terhelést; nem jelzi előre minden védett rés vagy egy jövőbeli karbantartási változás viselkedését.

A hosszú távú előrejelzésnek ezért egyetlen tetszetős szám helyett tartományt kell alkalmaznia. Meg kell adnia a feltételezett nedvesedési és száradási mintázatot, a szennyezőanyag- és kloridszinteket, a tisztítást vagy lemosást, a lefolyási útvonalakat, az ellenőrzési időközöket, valamint azt a pontot, amikor újrafestésre vagy javításra kerülne sor. A helyszíni próbatestek, a referencia-panelek és az ütemezett vastagságfelmérések ellenőrizhetik, hogy a feltételezett stabilizálódás valóban bekövetkezik-e. Ha a korrózió aktív marad, a gödrök mélyülnek, vagy a nedves lerakódások tartósan fennmaradnak, a tervezési válasz lehet a vízelvezetés javítása, a lemosás, a helyi bevonat alkalmazása vagy a korrózióvédelem módosítása.

A mérnöki szempontból központi különbségtétel egyszerű: az időjárásálló acél megfelelő körülmények között csökkentheti a légköri korróziót, jövőbeli vesztesége azonban feltételes és felülvizsgálható. A kémiai összetétel megteremti a patinaképződés lehetőségét. Az expozíció története, a részletképzés és a karbantartás dönti el, hogy ez a lehetőség ténylegesen megvalósul-e.

Ellenőrzés, karbantartás és meghibásodási módok

Az időjárásálló acél nem karbantartásmentes. Légköri korrózióval szembeni ellenállása attól függ, hogy a rozsdaréteg viszonylag tömör és tapadó marad-e; ehhez megfelelő ötvözetkémia, valamint ismétlődő nedvesedési és száradási ciklusok szükségesek. Ha a víz megreked, kloridlerakódások halmozódnak fel, vagy az ipari szennyezés megváltoztatja a korróziós környezetet, a patina porózussá, repedezetté vagy rosszul tapadóvá válhat. A korrózió ekkor a látható felület alatt is folytatódik.

Az ellenőrzés ezért a tervezés részét képezi. Nem annak igazolása a cél, hogy minden felület barna-e, hanem annak megállapítása, hogy a kiválasztás és a részlettervezés során feltételezett expozíciós körülmények továbbra is fennállnak-e.

A rendellenes korrózió és a vízvisszatartás felismerése

A stabil patina általában váltakozó nedvesedési és száradási időszakok során alakul ki. A 2010-ben közzétett NSBA-útmutató a patina védőhatásának kialakulásához szükségesnek tekinti az ismétlődő nedvesedést és száradást. A tartósan nedves felület nem ugyanazon a környezeti cikluson megy keresztül, mint a szabadon lévő, akadálytalanul víztelenedő felület. Ilyen esetben a viszonylag egyenletes és tapadó patina helyett laza, narancsszínű rozsda, sötét nedves elszíneződés, leváló rétegek, korróziós dudorok vagy helyi lyukkorrózió jelenhet meg.

A vízvisszatartás gyakran fontosabb a szerkezeti elem átlagos megjelenésénél. Az Ellenőröknek rozsdafolyásokat kell keresniük a csomópontok alatt, folyamatos nedves sávokat az átlapolásoknál, állóvizet a vízszintes lemezeken, sárral telt csavarüregeket és a kapcsolólemezek mögötti nedves területeket. Egy keskeny szivárgás súlyos helyi állapotot okozhat, miközben a szerkezeti elem többi része épnek látszik. A száraz időszakot követően megjelenő friss rozsda — különösen repedés, vízelvezető nyílás vagy kötőelem körül — aktív korrózióra, nem pedig ártalmatlan színeltérésre utal.

A vízelvezetési útvonalak különös figyelmet érdemelnek. A kis nyílásokat eltömítheti levél, iszap, madárfészekanyag, jég, hegesztési fröcskölés vagy korróziós termék. Eltömődés után az időszakos nedvesedésre tervezett részlet állandó nedvességtározóvá válhat. Ugyanez a meghibásodás következik be akkor, amikor egy pályalemez-csomópont szivárgása a tartóra vezeti a vizet, amikor egy mellvéd a sótartalmú lefolyóvizet egy övlemezre irányítja, vagy amikor egy tömítőanyaggal kialakított hézag elválik és vizet enged a lemez mögé.

A környező légkör is megváltozhat. Az ISO 9223:2012 a légköri korrozivitást szabványos próbatestek első évi korróziósebessége alapján osztályozza, és a hőmérsékletet és páratartalmat, a kén-dioxid-szennyezést, valamint a levegőben terjedő sótartalmat tekinti fő tényezőknek. Egy helyszín, amely a szerkezet építésekor elfogadható volt, agresszívebbé válhat, ha az utat nagyobb mértékben sózzák, egy kikötő bővül, megváltozik egy ipari folyamat, vagy nő a forgalom okozta szennyezőanyag-lerakódás. Az ASTM G101-04(2010) módszereket biztosít a hosszú távú légköri korróziós veszteségek rövid távú expozíciós adatokból történő becslésére, valamint az alacsonyan ötvözött acél relatív légköri korrózióállóságának kémiai összetétel alapján történő becslésére; az összetétel becslését azonban nem teszi a szerkezet minden részletére érvényes garanciává.

A lyukkorrózió különös aggodalomra ad okot, mivel az átlagos vastagságveszteség elfedheti a helyi keresztmetszet ennél jóval nagyobb mértékű csökkenését. Az FHWA fáradási útmutatója szerint az AASHTO a csupasz, bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagának egy fáradási kategóriával alacsonyabb besorolást ad, mint az összehasonlítható, nem időjárásálló acélénak, a lyukkorrózió miatt. Ez a csökkentés jelentős az ismétlődő igénybevételnek kitett szerkezeti elemeknél, még akkor is, ha az általános korrózió mérsékeltnek látszik. A hegesztési varratlábak, furatok, merevítővégek vagy kapcsolati vonalak közelében található mély lyukakat meg kell mérni és értékelni kell, nem elegendő csupán lefényképezni őket.

A rejtett és korrózióra hajlamos részletek ellenőrzése

Az ellenőrzési tervnek azt kell követnie, ahogyan a víz, a törmelék és a szennyezőanyagok a szerkezetben mozognak. A csomópontok, toldások, sarurégiók, övlemez-átmenetek, merevítővégek, gerinclemez-áttörések és csavarozott kapcsolatok elsőbbséget érdemelnek, mivel megszakítják a vízelvezetést vagy réseket hoznak létre. A toldólemezek és kapcsolószögek alatt, a kapcsolólemezek mögött, a csavarfejek és anyák körül, valamint a tömített vagy részlegesen tömített szerkezeti elemek végeinél is vizsgálni kell. Rejtett felület állapota a szabadon lévő oldal alapján nem ítélhető meg.

A merevítők keskeny csatornákat képezhetnek, amelyek összegyűjtik a törmeléket és megakadályozzák a kiszáradást. Végelemeiket meg kell vizsgálni a megrekedt víz, a hiányos hegesztések, a hegesztési rések és a rozsdafeszítés szempontjából. A szakaszos hegesztések és a hegesztetlen érintkezési vonalak kapilláris hatás révén elektrolitot tarthatnak vissza. A vízszintes peremeket üledék és növényzet szempontjából is ellenőrizni kell, mivel mindkettő meghosszabbítja a nedvesség időtartamát. Korlátozott hozzáférés esetén az ellenőrzéshez tükrökre, endoszkópokra, ultrahangos vastagságmérésekre vagy gondosan kiválasztott helyi tisztításra lehet szükség. A tisztítás nem távolíthatja el a bizonyítékokat a korróziós mechanizmus rögzítése előtt.

A különböző fémeket magukban foglaló kapcsolatokat különös figyelemmel kell vizsgálni. A galvanikus hatások koncentrálhatják a korróziós támadást ott, ahol egy időjárásálló acélból készült elem rozsdamentes acéllal, horganyzott acéllal, alumíniummal vagy más fémmel érintkezik vezetőképes nedves filmréteg jelenlétében. A kötőelemeknek kompatibilisnek kell lenniük az előírt acéllal és az expozícióval, továbbá minden bevonatnak vagy szigetelőrendszernek hatékonynak kell maradnia a határfelületen. Az időjárásálló acélból kialakult patina nem védi az egymással inkompatibilis fémekből álló párt.

A földbe temetett, vízbe merülő vagy folyamatosan nedves helyeket külön expozíciós körülményként kell kezelni, nem pedig szokásos légköri felületként. A talajjal való érintkezés, a szivárgó közművek, a zártszelvények belsejében kialakuló páralecsapódás és a fröccsenési zónák megakadályozhatják a száradási ciklust, amelytől a patinaképződés függ. A 2015-ben kiadott SCI Guidance Note 1.07 a folyamatosan nedves vagy nyirkos környezetet, a magas klorid- vagy sópermet-expozíciót, a koncentrált ipari gázokat és a földbe temetett körülményeket a bevonat nélküli időjárásálló acél nem megfelelő vagy korlátozott alkalmazási területei közé sorolja.

Az ellenőrzés során az aktuális körülményeket össze kell vetni az eredeti tervezési alappal. A nyilvántartásoknak azonosítaniuk kell a korrózió formáját, a lyukak mélységét, az érintett területet, a vízelvezetés állapotát, a szennyezőanyag- vagy kloridforrásokat, valamint a repedések vagy alakváltozások esetleges változásait. Az egységes vizuális felmérés nem elegendő fáradásra érzékeny részletek jelenléte esetén.

A karbantartási körülmények mint az eredeti tervezés részei

A karbantartási hozzáférést és a tisztítási lehetőségeket a gyártás előtt meg kell határozni, nem pedig a korrózió megjelenése után kell hozzáadni. A Tervezőknek olyan leeresztőnyílásokat kell biztosítaniuk, amelyek ellenőrizhetők és megtisztíthatók, olyan lejtéseket, amelyek nem hoznak létre sík vízgyűjtő mélyedéseket, a törmelékhidak kialakulását elkerülő szélességű hézagokat, valamint megfelelő szellőzést ott, ahol a zárt terekben pára csapódhat le. A részletrajzoknak be kell mutatniuk, hogyan távozik a víz egy csomópontból, és hol folyik ki; a névleges nyílás nem jelent vízelvezetési stratégiát, ha a lefolyóvizet egy másik, korrózióra hajlamos felületre irányítja.

A kiválasztott acélminőséget és az expozíciós osztályt is összhangban kell tartani. Az FHWA útmutatója előírja a nedvesség fennállási idejének, a kloridexpozíciónak, az ipari szennyezőanyagoknak, a vízelvezetésnek, a geometriának és a karbantartási körülményeknek a helyspecifikus értékelését, mielőtt bevonat nélküli időjárásálló acélt választanának. A hagyományos időjárásállóacél-kémia a mangánra, szilíciumra, krómra, nikkelre, rézre, molibdénre és foszforra összpontosít. A 2011-ben közzétett FHWA-kutatás szerint a legtöbb időjárásálló acél ASTM G101 szerinti korróziósindex-értéke 6 és 7 között volt, míg a továbbfejlesztett korrózióálló acélokkal foglalkozó vizsgálat a kloridtartalmú légkörben lényegesen jobb teljesítmény érdekében körülbelül 9,5-es vagy annál magasabb értékeket célzott meg. Ez az eredmény támogatja az előzetes szűrést és az anyagkiválasztást, de nem mentesít a nem megfelelő vízelvezetés következményei alól.

A karbantartási tervnek meg kell határoznia, hogy ki tisztítja meg a lefolyókat, távolítja el a törmeléket, vizsgálja a szivárgást, rögzíti a lyukkorrózió mérési adatait és javítja a sérült részleteket. A tervnek meg kell határoznia a Mérnöki felülvizsgálat szükségességét kiváltó feltételeket is: tartós nedvesség, új kloridexpozíció, laza vagy lemezesen leváló rozsda, váratlan keresztmetszetveszteség, korrózió fáradásra érzékeny részleteknél, illetve a légköri expozícióról földbe temetett vagy fröccsenési expozícióra történő áttérés. A javítás magában foglalhatja a vízelvezetés helyreállítását, egy galvanikus kapcsolat elszigetelését, a sérült acél cseréjét, egy szivárgás tömítését vagy helyi bevonat alkalmazását. A láthatóan rozsdás felület lefestése a nedvességforrás megszüntetése nélkül általában inkább elfedi a meghibásodást, mintsem leállítja azt.

Az eredeti tervezési feltételezések az üzemelés során érvénytelenné válhatnak. A patina körülményfüggő korróziós termék, nem pedig állandó bevonat. Az ellenőrzés és a karbantartás biztosítja, hogy a környezeti feltételek azon tartományon belül maradjanak, amelyre az acélt, a geometriát és a fáradási tervet kiválasztották.

A légköri korrózióval kapcsolatos tervezés gyakorlati munkafolyamata

A bevonat nélküli időjárásálló acélt nem a szabványos acélminőség megnevezése vagy a várt patinaszín alapján, hanem a helyszínnel, az anyaggal és a részletképzéssel kapcsolatos döntések sorozatán keresztül kell kiválasztani. Az ötvözetet úgy tervezik, hogy megfelelően váltakozó nedves és száraz kitettség esetén viszonylag tömör, jól tapadó rozsdaréteget képezzen. Ez a réteg csökkentheti a későbbi korróziót, de nem jelent automatikusan létrejövő, tartós bevonatot. A folyamatos nedvesség, a sólerakódások, az ipari szennyezés, a nem megfelelő vízelvezetés vagy a védett rések az egyenetlen felületi filmréteg alatt aktívan tarthatják a korróziót.

A munkafolyamatot az acélminőség kiválasztása előtt kell megkezdeni, és az ellenőrzés megtervezésén keresztül kell folytatni. Az ISO 9223:2012 biztosítja a légköri korróziós hatásosság értékelésének keretrendszerét; az FHWA útmutatása pedig olyan helyszínspecifikus kérdésekkel egészíti ki ezt, amelyekre önmagában a besorolás nem ad választ.

A légkör osztályozása és a szennyezők azonosítása

Elsőként az acélfelület hőmérsékleti és páratartalmi viszonyait kell meghatározni, nem csupán a regionális éghajlati adatokra támaszkodva. Rögzíteni kell az évszakos hőmérsékletet, a relatív páratartalmat, a csapadékot, a kondenzációt, a ködöt, a fagyási-olvadási ciklusokat, valamint azokat az időszakokat, amikor a felületek láthatóan vagy mikroszkopikus szinten nedvesek maradnak. Az ISO 9223:2012 a hőmérséklet és a páratartalom hatását, a kén-dioxid-szennyezést és a levegőben található sótartalmat tekinti a légköri korrózió fő tényezőinek, és a korróziós hatásosságot szabványos próbatesteken mért első éves korróziós sebességek alapján osztályozza. Az így kapott kategória hasznos összehasonlításra, de nem ír le minden védett övlemezt, kötést vagy vízelvezetési útvonalat egy szerkezeten.

A nedvesedési idő jelenti a gyakorlati kapcsolatot az éghajlat és a korrózió között. Egy olyan szerkezeti elem, amely eső után egy órán belül megszárad, más kitettségnek van kitéve, mint az, amely egy illesztőlemez alatt több napig visszatartja a vizet. Vizsgálni kell a várható nedvesedési mechanizmusokat: a közvetlen esőt, a fröccsenő vizet, a kondenzációt, a ködöt, a szivárgó kötéseket, a hó felhalmozódását és a mosóvizet. Ezután meg kell határozni, hogy a szél, a napsugárzás általi felmelegedés, a burkolat vagy a szomszédos felületek elősegítik vagy akadályozzák-e a száradást.

A sótartalom értékeléséhez nem elegendő azt kijelenteni, hogy a helyszín „a part közelében” található. Meg kell határozni a partvonaltól való távolságot, az uralkodó szélirányt, a hullámzásnak vagy a parti permetnek való kitettséget, a sótartalmú permetet, a jégmentesítő só használatát és a szennyezett lefolyás lehetőségét. A kloridok vízszintes peremeken és résekben akkor is felhalmozódhatnak, ha a levegő átlagos sótartalma mérsékelt. Egy sózott úttest felett átvezető híd alsó övlemezei nagyobb kloridterhelésnek lehetnek kitéve, mint a felső felületei.

A kén-dioxidot és az egyéb szennyezőket szintén forrásalapú értékeléssel kell vizsgálni. Térképezni kell a nagy forgalmú utakat, az égéstermelő berendezéseket, a vegyipari feldolgozást, a fémkezelést, a műtrágyatárolást és a zárt ipari kibocsátásokat. A kén-dioxid növelheti az elektrolit savasságát, és módosíthatja a rozsdaréteg kialakulását. A por visszatarthatja a nedvességet és a szennyezőket; a korom és a technológiai lerakódások helyileg agresszív korróziós cellákat hozhatnak létre. Meg kell határozni, hogy a kibocsátások folyamatosak, szezonálisak vagy időszakosak-e, mivel egy rövid, de ismétlődő szennyezőanyag-terhelés is jelentős lehet egy védett részletnél.

Ezért az ISO-kategóriát a mért vagy becsült kloridlerakódással, a kén-dioxid-koncentrációval, a nedvesedési idővel és a helyi szennyezőforrásokkal együtt kell rögzíteni. Az ASTM G101-04(2010) rövid idejű kitettségi adatokból megbecsülheti a hosszú távú légköri korróziós veszteségeket, valamint az alacsonyan ötvözött acél kémiai összetétele alapján a relatív korrózióállóságot. Ez számítási módszer, nem helyettesíti a kitettségre vonatkozó bizonyítékokat, és nem garantálja, hogy a kiválasztott szerkezeti elem védő patinát alakít ki.

Az anyag, a geometria és a kitettség együttes értékelése

Ezután felül kell vizsgálni a pontos anyagmegjelölést, a termékformát és az irányadó szabványt. Az „időjárásálló acél” családi megnevezés, nem teljes specifikáció. Hídépítési munkáknál az ASTM A709/A709M szerinti acélminőségek lehetnek irányadók, míg más szerkezeteknél valamely nemzeti termékszabványban meghatározott megjelöléseket alkalmazhatnak. A kémiai határértékeknek, a mechanikai tulajdonságoknak, a vastagságtartománynak, a hegesztési követelményeknek és a szállítási állapotnak meg kell felelniük az alkalmazandó szabványkiadásnak. Ellenőrizni kell a gyártóművi bizonylatot és az adag kémiai összetételét, nem pedig abból kiindulni, hogy egy ismerős acélminőség-megjelölés minden szabványban azonos légköri teljesítményt jelent.

Az ötvözés kialakítása jelentőséggel bír. A hagyományos időjárásállóacél-ötvözés középpontjában a mangán, a szilícium, a króm, a nikkel, a réz, a molibdén és a foszfor állt. Az FHWA 2009-ben közzétett kutatása a volfrám, a titán, az alumínium és a ritkaföldfém-adalékok hatását is vizsgálta. Az ASTM G101 indexértékei előzetes összehasonlítást tesznek lehetővé: az FHWA 2011-ben arról számolt be, hogy a legtöbb időjárásálló acél értéke 6 és 7 között volt, miközben kutatásuk olyan értékeket célzott meg, amelyek megközelítették vagy meghaladták a 9,5-et, a kloridtartalmú légkörben elérhető lényegesen jobb ellenállás érdekében. Ezek a számok nem jelentenek egyetemes elfogadási küszöbértéket. Azt mutatják, hogy az összetételt, a szennyezőanyag-kitettséget és a kloridviszonyokat együttesen kell figyelembe venni.

Ezután a geometriát vízgazdálkodási rendszerként kell vizsgálni. Minden felülethez biztosítani kell egy reális száradási útvonalat. Meg kell szüntetni a vízgyűjtő mélyedéseket, a tömítetlen átfedéseket, a felfelé néző peremeket, a keskeny réseket, az eltömődött vízkivezető nyílásokat, valamint azokat a részleteket, amelyek leveleket, sarat vagy madárfészkelésből származó hulladékot tartanak vissza. Biztosítani kell a megfelelő lejtésű vízelvezetést és a zárt terek elegendő szellőzését. Azokat a kötéseket, amelyekbe a víz bejuthat, de elpárologni nem tud, tömíteni vagy más módon védeni kell. Különös figyelmet kell fordítani a merevítőkre, az illesztőlemezekre, a saruk környezetére, a szekrényszelvényekre, a csomólemezekre, a kapcsolószögekre és a betonnal érintkező felületekre.

A látványos patina nem bizonyítja, hogy egy rejtett felület védett. A rozsdafolyás jelezheti egy stabil területről származó lefolyást, de ugyanígy utalhat egy nedves kötés keresztmetszet-veszteségére is. Hasonlóképpen, a narancssárga, barna és fekete különböző árnyalatai utalhatnak a kitettség előzményeire, szennyeződésre, nedvességvisszatartásra vagy a stabilizáció hiányára, nem pedig a megbízható teljesítmény egy meghatározott szakaszára.

El kell utasítani vagy módosítani kell azokat az alkalmazásokat, amelyeknél folyamatosan nedves vagy nyirkos kitettség, talajjal vagy földdel érintkező beépítés, tartós sópermet, koncentrált ipari füstgáz vagy nem szabályozott jégmentesítősó-fröccsenés áll fenn. Az SCI Guidance Note 1.07 ezeket a körülményeket a bevonat nélküli, időjárásálló acél szempontjából alkalmatlanként vagy korlátozottan alkalmazhatóként azonosítja. Ha a kitettség nem változtatható meg, bevonatrendszerre, a vízelvezetés áttervezésére, korróziós ráhagyásra vagy más anyagstratégiára lehet szükség.

Ebben a szakaszban a szomszédos anyagokat is ellenőrizni kell. A réz, a sárgaréz, a rozsdamentes acél, a horganyzott alkatrészek és az alumínium galvanikus hatást idézhetnek elő, ha elektrolit kapcsolja össze a különböző fémeket. A kockázat a felületaránytól, az elektromos kapcsolattól, a szennyezőanyag-koncentrációtól és a vízelvezetéstől függ. Szükség esetén el kell szigetelni az összeférhetetlen fémeket, meg kell akadályozni, hogy nemesebb fémről lefolyó víz jusson az időjárásálló acélra, és kompatibilis kötőelemeket, valamint alátéteket kell előírni.

Végül a szerkezeti következményeket is értékelni kell, a korróziót nem csupán vizuális problémaként kezelve. A lyukkorrózió csökkenti a nettó keresztmetszetet, és helyi feszültségkoncentrációt hoz létre. Az FHWA kifáradással kapcsolatos útmutatása szerint az AASHTO a sima, bevonat nélküli időjárásálló acél alapanyagához egy kifáradási kategóriával alacsonyabb besorolást rendel, mint az összehasonlítható, nem időjárásálló acélhoz, a lyukkorrózió miatt. Ezért a kifáradásra érzékeny hidaknál, daruszerkezeti elemeknél, rezgő alátámasztásoknál és vékony elemeknél kifejezetten meg kell határozni a lyukkorrózással kapcsolatos feltételezéseket, a kötésbesorolást, a korróziós ráhagyásokat és az ellenőrzéshez szükséges hozzáférést.

Az ellenőrzési és karbantartási feltételezések dokumentálása

A tervdokumentációnak rögzítenie kell, hogy mi maradjon változatlan a bevonat nélküli alkalmazás feltételeként: a várt korróziós hatásossági osztály, a klorid- és kén-dioxid-viszonyok, a nedvesedési idővel kapcsolatos feltételezések, a vízelvezetés teljesítménye, a szellőzés, a patina stabilizálódási időszaka és a kizárt kitettségi zónák. Azokat a felületeket is meg kell jelölni, amelyek várhatóan nem stabilizálódnak, például a folyamatosan nedves kötéseket vagy az úttestről érkező fröccsenő víznek kitett területeket.

Az első, szerelést követő ellenőrzést, valamint a későbbi ellenőrzések időközét a következmények, a kitettség és a bizonytalanság alapján kell meghatározni. A korai ellenőrzéseknek a vízvisszatartást, a váratlan sólerakódásokat, a lefolyási elszíneződéseket, a kivitelezési sérüléseket, a hegesztési zónákat, a réseket és az egyenetlen korróziót kell vizsgálniuk, nem csupán az általános színt. A reprezentatív és a gyanús helyeken meg kell mérni a gödrök mélységét és a keresztmetszet-veszteséget, és fényképeket, valamint állandó viszonyítási pontokat kell megőrizni, hogy a változások összehasonlíthatók legyenek.

A karbantartási utasításoknak elő kell írniuk a hulladék eltávolítását, az eltömődött lefolyók helyreállítását, a szivárgó kötések javítását és a szennyezőanyag-lerakódások eltávolítását. Nem szabad válogatás nélkül mosást előírni: a visszamaradó víz új résekbe juttathatja a kloridokat, ha a vízelvezetés és a száradás nem szabályozott. A javítóbevonatot a tényleges környezet és a felület állapota alapján kell kiválasztani, és dokumentálni kell a határokat, valamint az előkészítési követelményeket.

A dokumentációnak a beavatkozási küszöbértékeket is meg kell határoznia. Ilyen lehet például a tartós nedvesség, az ismétlődő sószennyezés, a tervben megengedett értéket meghaladó mérhető lyukkorrózió, a korróziós gödröknél kialakuló repedés, az eltömődött vízelvezetés vagy a korrodált részletek közelében jelentkező kifáradási károsodás. Ekkor a beavatkozás magában foglalhatja a vízelvezetés korrigálását, a helyi tisztítást, a bevonatképzést, a vastagságmérést, a teherbírás értékelését vagy a cserét.

Egyetlen index, acélminőség-megjelölés, korróziós kategória vagy patinaszín sem helyettesíti ezt az értékelést. A légköri korrózióval szembeni ellenállás feltételekhez kötött teljesítmény. A terv csak akkor elfogadható, ha a kémiai összetétel, a kitettség, a geometria, a szerkezeti igénybevétel és a jövőbeli ellenőrzés kölcsönösen alátámasztják egymást.

Hivatkozások

1. [1]Federal Highway Administration. Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration research publication, 2011. https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/bridge/11062/001.cfm
2. [2]ASTM International. ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International standard, 2010. https://store.astm.org/g0101-04r10.html
3. [3]Steel Construction Institute. Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. SCI Guidance Note 1.07, 2015. https://www.steelconstruction.info/images/a/aa/GN_1-07.pdf
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Standard, 2012. https://www.iso.org/standard/53499.html
5. [5]Federal Highway Administration. Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration guidance, 2003. https://www.fhwa.dot.gov/bridge/t514022.cfm
6. [6]Federal Highway Administration. Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration handbook, 2016. https://www.fhwa.dot.gov/bridge/steel/pubs/nhi16016.pdf