Горячее цинкование — передовой метод защиты мостовых металлоконструкций

Содержанию и ремонту мостовых сооружений, включая защиту их конструкций от коррозии, на постсоветском пространстве долгие годы не уделялось достаточного внимания. К сегодняшнему дню это уже привело к целому ряду аварий с обрушениями мостов и путепроводов. В частности, в россии недавно росстат насчитал более чем 500 мостов и путепроводов, проезд по которым конкретно признан небезопасным.

Существующие проблемы

«На сегодняшний день более 5,5 тыс. искусственных сооружений находятся в аварийном и предаварийном состоянии, — отмечает заместитель руководителя Росавтодора Евгений Носов. — Еще одной важной проблемой являются одноуровневые пересечения автомобильных и железных дорог — это не только причина постоянных дорожных заторов, но и источник повышенной опасности для всех участников движения».

Сейчас в РФ, по данным РБК, насчитывается около 72,5 тыс. железнодорожных и автомобильных мостов, — это для страны, по территории которой протекают 2,8 млн рек. В США 250 тыс. рек, но количество мостов— 600 тыс. При этом в России есть 257 летних и 3,5 тыс. зимних переправ, а каждый девятый мост — деревянный. Больше всего таковых в Хабаровском крае — 706, или свыше 60% от общего числа. В Архангельской области 66% всех мостов — также деревянные, в Забайкальском крае — почти половина, в Иркутской области — больше 40%. Все это говорит об острой нехватке современных и надежных мостовых сооружений для нормального функционирования и развития транспортной инфраструктуры страны.

В декабре 2019 году правительственная комиссия по транспорту утвердила программу ремонта и строительства мостов в регионах до 2035 года. Документ сформирован Минтрансом совместно с регионами, ГУОБДД МВД России и ОАО «РЖД». Всего в программе было заявлено более 3,9 тыс. объектов на общую сумму около 1,125 трлн рублей, в том числе 370 млрд — на мероприятия в отношении аварийных и предаварийных искусственных сооружений. Остальное — строительство новых объектов.

Безусловно, для эффективного расходования этих средств необходимо использовать современные, экономичные и высокоэффективные технологии строительства. В частности, необходимо увеличивать долю металлического мостостроения. Сталь в наибольшей степени удовлетворяет требованиям работы конструкций пролетных строений по всем параметрам. Это и прекрасная работа материала на растяжение и сжатие, и высокая долговечность и надежность конструкции, и возможность монтажа в любой климатической зоне независимо от времени года. Важно также общее снижение веса конструкции, упрощение логистики и монтажа (потребуется более легкое и менее дорогостоящее подъемно-транспортное оборудование), а в итоге — сокращение сроков строительства сооружения. Добавим, что применение металлоконструкций сводит к минимуму необходимое количество опор и снижает общую нагрузку на опорную конструкцию — это позволяет использовать более легкий фундамент, что особенно важно в областях с плохим состоянием грунта.

Однако у стали есть вечный враг — коррозия, которая не только сокращает срок службы конструкций, но и повышает риск аварий и катастроф. Ее следствием, в том числе, являются частый ремонт и реконструкции с заменой металлических или железобетонных элементов сооружения.

Разрушение или временное ограничение движения по мостам вызывает существенные потери для экономики и значительные неудобства для населения. Поэтому для таких объектов необходимо рассматривать коррозию как долгосрочную угрозу целостности конструкции, и меры борьбы с этим явлением необходимо предусмотреть еще на стадии проектирования.

О методах защиты

Распространены два основных метода защиты от коррозии.

Первый — нанесение изолирующего покрытия, которое должно ограничить доступ разрушающих конструкцию реактивов из окружающей среды к стали. В практике мостовиков это всевозможные грунты и краски. Главная их проблема, помимо небольшого срока службы, — сложность определения степени разрушения конструкции, когда при повреждениях изолирующего слоя (некачественное нанесение, перепады температуры и т.п.) коррозия начинает развиваться под слоем защитного покрытия.

Второй метод — катодная защита. Она реализуется, когда к стальной конструкции прикрепляется металл, обладающий более электроположительными свойствами, и именно он разрушается в первую очередь.

Есть, однако, и современная альтернатива — использование цинкового покрытия в качестве защитного слоя уже предусматривает оба метода защиты. Цинк активно защищает изделие от коррозии, «принося себя в жертву», но этот процесс длится очень долго, сохраняя конструкцию десятилетиями.

О защите от коррозии с использованием цинка многие, но часто различные виды цинковых покрытий воспринимаются как нечто одно, с одинаковыми свойствами. Однако это не так. Каждая технология должна использоваться с максимальной эффективностью в той области и для таких объектов, где тот или иной способ принесет максимальную пользу. Неправильный выбор вида и технологии нанесения цинкового покрытия приводит к разочарованию заказчика и наносит вред для самого принципа антикоррозионной обработки.

Рассмотрим наиболее часто применяемые у нас в стране технологии по защите мостовых конструкций на основе цинка: цинкнаполненные краски и технологию напыления цинка. Наиболее привычная всем система защиты — это, конечно, нанесение грунтов и красок. В состав цинкнаполненных красок входит чистая цинковая пыль (до 99% металлического цинка). Для получения полноценного эффекта цинкования в данном случае необходимо, чтобы образующийся слой покрытия содержал как можно больше цинковой пыли и имел хороший контакт со сталью. Для этого очень важно тщательно подготовить защищаемую поверхность от ржавчины, окалины и т. п. Только хороший контакт с поверхностью обеспечивает катодную защиту цинкнаполненными красками. Поэтому следует осторожно относится к рекламным слоганом «холодное цинкование» или «лучше горячего цинкования». Необходимо пользоваться составами проверенных производителей.

В тонких покрытиях (до 20 мкм) цинк работает как протектор, но срок службы лимитируется временем растворения цинка. В толстослойных цинкнаполненных красках сначала цинк действует как протектор, а затем, за счет уплотнения пленки краски продуктами коррозии цинка, краска выполняет барьерную функцию. В комбинированных способах покрытия цинкнаполненные грунты на различной основе обеспечивают катодную функцию защиты, а верхние слои лакокрасочных материалов — изолирующую, причем на срок до 20лет.

Простота нанесения и универсальность позволило занять этому способу антикоррозионной обработки достойное место. Однако есть проблемам применения данной технологии на практике. К ним следует отнести большое количество некачественной продукции и фальсификата, чувствительность к нарушению в технологии нанесения и сложности с контролем качества наносимого покрытия, уязвимость к механическим повреждениям.

Другая технология защиты мостовых конструкций от коррозии, широко применяемая у нас в стране — это газотермическое напыление частиц цинка на защищаемую стальную поверхность. Принцип защиты тот же — обеспечить плотный контакт (адгезию) частиц цинка для получения катодной защиты и возможное дополнительное нанесение ЛКМ для создания изолирующего слоя. Технологии нанесения отличаются двумя непростыми моментами: как обеспечить разогрев и распыление цинка и что использовать в качестве сырья. Одни производители распыляют цинковый порошок, другие используют цинковую проволоку. Главное, что микрочастицы расплавленного цинка, которые подаются в виде порошка или проволоки к соплу горелки, наносятся на подготовленную поверхность (с которой удалена окалина дробеструйной, дробеметной или пескоструйной обработкой) в потоке газа. Частицы за счет полученной кинетической и тепловой энергии, сталкиваясь со сталью, образуют тонкий цинковый слой. Капли деформируются при ударе о поверхность и создают пористое «чешуйчатое» покрытие. Для заполнения микропор используется краска. Такое комбинированное покрытие имеет неплохую адгезию и устойчивость к воздействию внешней среды.

Важным вопросом технологии напыления является скорость подачи напыляемого материала и расстояние от напыляемого изделия до горелки — в случае несоблюдения технологии покрытие получается рыхлым и непрочным.

На качество металлизационного цинкового покрытия оказывает влияние состав газа в пламени горелки. При избытке кислорода происходит повышенное окисление расплавленных частиц цинка, а покрытие приобретает повышенную твердость и хрупкость. При избытке горючего газа в пламени образуются более пористые покрытия. При таком цинковании стальных изделий для уменьшения пористости обычно наносят несколько слоев цинка (по 30-50 мкм в каждом слое). Вместо газовой горелки можно применять распыление и расплавление цинка за счет электрической дуги.

Для уменьшения пористости покрытия также применяются методы обработки поверхности путем разгона порошка до сверхзвуковых скоростей струей сжатого воздуха через сопла Лаваля. Частица при ударе о поверхность преобразует свою кинетическую энергию в тепловую, расплавляется и «прилипает» к стали. В этом случае пористость покрытия и степень окисления порошка заметно снижаются.

Вывод: получение качественного покрытия также, помимо специального оборудования, требует хорошей подготовки поверхности и квалифицированного оператора. В целом же и цинкнаполненные краски, и газотермическое напыление прекрасно подходят для ремонта или дополнительной защиты уже находящихся в эксплуатации сооружений. Рекомендуется применять такие составы на крупногабаритных элементах конструкций, которые из соображений логистики или из-за больших размеров и веса нельзя защитить от коррозии другим способом. Главное, что необходимо при этом помнить: обе технологии очень зависят от тщательной подготовки поверхности стального изделия перед нанесением и весьма чувствительны к внешним механическим нагрузкам. Проблема заключается в том, что цинковый слой, обеспечивающий катодную защиту, держится на поверхности стали только благодаря адгезии, и если в результате нарушения технологии или в процессе эксплуатации прочность сцепления исчезает, то может начаться процесс коррозии.

О правильном выборе

При выборе технологии защиты металлоконструкций исходить следует из того, что мост — самая дорогая часть дороги. Если 1 км обычной однополосной автомобильной трассы, идущей по земле, в среднем стоит 101,7 млн рублей, то аналогичная протяженность мостового сооружения — 579 млн. Мост обходится, как минимум, в пять раз дороже. Следовательно, требования к сроку службы и продолжительности безремонтного периода у таких сооружений должны быть выше, особенно если принять во внимание сложность ремонтных процедур, логистику и жесткие климатические условия нашей страны. Вот почему мы предлагаем обратиться к мировому (зарубежному) опыту использования горячего цинкования в области мостостроения. Оцинкованная сталь является одним из самых прочных и надежных материалов для мостов и поэтому справедливо считается одним из самых перспективных строительных материалов.

При горячем цинковании очищенную сталь погружают в расплавленный цинк, и происходит реакция, формирующая металлическую связь между цинком и сталью, которая приводит к образованию нескольких слоев с разным удельным соотношением цинка и железа, т. е. осуществляется на атомном уровне.

Все больше и больше мостов строится из оцинкованной стали. Этому есть много причин, и самая главная — экономичность. Такие мосты не надо красить. Соответственно, с учетом жизненного цикла они обходятся дешево.

Как правило, при расчете суммы затрат на защиту строения начальную стоимость работ делят на предполагаемый срок эксплуатации. Однако забывают учесть, что оцинкованная конструкция за весь срок службы не потребует ремонта покрытия, тогда как поверхность, окрашенная даже в несколько слоев, за тот же период потребует минимум одного, а то и трех перекрашиваний. Таким образом, более дешевое окрашивание при большом сроке эксплуатации сооружения в итоге оказывается намного дороже.

Если принять во внимание все расходы на покраску, то цинкование, оказывается, имеет более низкую себестоимость, чем хорошие системы обычного окрашивания.

Итоговые издержки включают в себя все эксплуатационные расходы за весь средний ожидаемый срок службы. Один из путей сравнения систем защиты — это подсчет всех расходов, которые придется понести в будущем, как если бы нужно было платить их сегодня. Выгода для потребителей состоит в том, что они могут полагаться на защиту цинком долгие годы, не затрачивая средства на обследование конструкций, контроль, ремонт и поддержание защитного покрытия в надлежащем состоянии. Стернс Байу (Stearns Bayou), установленный в 1966 году, считается первым полностью оцинкованным мостом в Соединенных Штатах. Переправа имеет длину 128 м, 10 м ширины проезжей части и по 3,5 м дорожек с каждой стороны. В дополнение к балкам все диафрагмы, опорные площадки, поручни и соединительные элементы, работающие на сдвиг, также оцинкованы горячим способом. Горячеоцинкованная сталь была выбрана изза низкой стоимости жизненного цикла. Проектировщики рассчитывали 25-летний срок службы. Однако, когда объект обследовали как в 1991 году, после 25 лет эксплуатации, так и в 2017 году, через 51 год, обе проверки показали, что мост находится в отличном состоянии, без следов ржавчины или пятен. В сельской местности, даже с достаточно суровыми зимами в штате Мичиган, эта переправа, по прогнозам, прослужит еще не менее 65 лет.

За рубежом в сельской местности через ручьи и реки построено много коротких стальных переходов с низким просветом, что создает идеальные условия для оцинкованных горячим способом. В России тоже высока потребность в небольших по протяженности мостах.

Но что делать, если элемент мостовой конструкции не помещается в ванну цинкования? Технология позволяет окунуть изделие два раза, т. е. с двух сторон. Или использовать модульные конструкции. Это не только снизит вероятность коробления при цинковании, упростит транспортировку и логистику, но и, главное, удешевит и ускорит производство и монтаж.

Подробнее о преимуществах

Сталь, оцинкованная горячим способом, имеет постоянный и измеримый, ожидаемый срок службы и может контролироваться с помощью простых проверок и замера толщины покрытия на поверхности. Не требуется отбора проб керна, как это бывает необходимо для бетонных конструкций, или вскрывать «жучки» вздувшейся краски: оцинкованные детали можно тестировать визуально.

Лакокрасочные материалы требуют восстановления через 2-3 года. Горячее цинкование дает надежное покрытие минимум на 25 лет. При использовании обычных красок изделие требует перекраски каждые 3-4 года, а специальные системы могут увеличить этот период только до 10 лет.

Оцинкованная сталь является более легким строительным материалом, чем бетон, что делает ее идеальной для изготовления даже длиннопролетных мостов.

Мостовые элементы из оцинкованного металла более сейсмостойки, чем бетонные, благодаря пластичности стальных элементов и высокому соотношению прочности к весу. Конструкционная сталь помогает минимизировать вес, что снижает инерционные эффекты при сейсмической нагрузке.

Оцинкованные стальные балки изготавливаются за пределами строительной площадки и доставляются в готовом виде. Меньший размер и вес таких деталей делает их более «маневренными» на месте. Использование небольших, удобных для манипулирования элементов с заранее спланированным методом монтажа упрощает конструкцию. Из-за высокой удельной прочности (отношение прочности к плотности материала) мосты из горячеоцинкованной стали менее требовательны к опорной конструкции, чем из бетона. По данным Всемирной ассоциации производителей стали, соотношение прочности и веса сводит к минимуму затраты на фундаменты, а также может сэкономить деньги на транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах.

Конечно, никто не предлагает немедленно начать массово строить мосты и путепроводы из горячеоцинкованных конструкций. Необходима большая подготовительная работа по проектированию, подготовке нормативной документации для создания эффективных, дешевых в эксплуатации и монтаже мостовых и дорожных конструкций. Тем более что за рубежом уже повсеместно используют такие решения, опыт которыхможно перенять.

Работа с элементами из оцинкованной стали может гарантировать, что мосты будут эксплуатироваться долгие годы, и при этом не надо беспокоиться об образовании ржавчины, о перекрашивании и закрытии на ремонт или даже реконструкцию.