Автор: Ведяков И. И., Одесский П. Д.
Источник: Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. Ч. 2. Вып. 31(50). Строительные науки, 2013. — C. 20–23.
Ведяков И. И., Одесский П. Д. Защита от коррозии стальных строительных конструкций цинкованием. Рассмотрены способы цинкования проката и конструкций по различным схемам, показана эффективность этого процесса как защиты металла от атмосферной коррозии. Выделены экономически наиболее целесообразные методы цинкования.
Цинкование является традиционным методом защиты стальных конструкций от коррозии и, по-видимому, в настоящее время наиболее эффективным.
Собственно, цинк относится, если судить по его положению в нормальном ряду напряжений, к неблагородным металлам. Его нормальный электродный потенциал равен минус 0,76 V (железо более благородный металл — его потенциал равен минус 0,44 V). Однако в атмосферных условиях цинк обладает удовлетворительной стойкостью, поскольку покрывается слоем продуктов коррозии (смесь окиси цинка, углекислого цинка и гидрата окиси цинка). Этот слой не исключительно плотный, но в определенной степени защищает лежащий под ним металл. Наименее стоек цинк в атмосфере индустриальных центров вследствие присутствия в ней сернистых газов, образующих с цинком легко растворимые продукты коррозии.
Поскольку электродный потенциал цинка в атмосферных условиях ниже, чем у железа, цинковые покрытия являются анодными, т. е. цинк защищает сталь электрохимически: при наличии пор или оголенных мест происходит разрушение цинка, а стальная основа не корродирует; цинк, единственный из применяемых металлических покрытий, является жертвенным
металлом. На цинкование расходуется около 40 % мировой добычи цинка.
Цинк наносится на стальные изделия различными способами: горячим цинкованием, набрызгиванием (газотермическим), диффузионным, а также гальваническим (электролитическим) способами.
В строительстве широко применяется холоднокатаный оцинкованный лист (в настоящее время иногда с дополнительным полимерным покрытием). В этом случае оцинковка реализуется на металлургических заводах. Непосредственно на заводах металлоконструкций проводится оцинковка готовых изделий и деталей к ним.
Основной метод оцинковки на металлургических заводах — наименее энергозатратное горячее цинкование погружением изделий в ванну с расплавленным цинком при 450–470 oС. На современных линиях протяженностью более 100 м собственно цинкование объединено с операциями подготовки (электрохимическая очистка от ржавчины и масел, промывка, сушка, отжиг, дрессировка; после горячего цинкования сдувка лишнего цинка, принудительное охлаждение, правка, сушка, смотка, промасливание и др.). Цинк образует на железном изделии покрытие, состоящее из трех слоев. Наружный слой представляет собой почти чистый цинк, затем следует слой интерметаллического соединения FeZn и внутренний слой, представляющий соединение FeZn3.
Погружение следует проводить в возможно короткие сроки с последующим охлаждением, так как в противном случае цинк обогащается железом, что понижает коррозионную стойкость покрытия и приводит к росту хрупких интерметаллических соединений. Разработаны специальные методы борьбы с формированием хрупких слоев, в том числе небольшими добавками алюминия.
Металлургическая промышленность поставляет в адрес строителей сталь тонколистовую оцинкованную с непрерывных линий по ГОСТ 14918–80 трех классов толщины покрытия: П (повышенный) с 40 до 60 мкм, 1 — от 18 до 40 мкм, 2 — от 10 до 18 мкм. Оцинкованная сталь изготавливается шириной от 710 до 1800 мм, толщиной от 0,5 до 2,5 мм включительно.
Из таких сталей в массовых количествах изготавливается профилированный настил, различные профили и т. п. Из подобных профилей собираются эффективные бескаркасные здания с большим пролетом и т. п.
Ванны для горячего цинкования имеются также на заводах, изготавливающих строительные металлические конструкции, в частности в Белгороде (Завод Энергомаш
), в Туле (Завод легких металлических конструкций). Здесь оцинковываются целиком такие конструкции, как, например, полуфермы из труб квадратного сечения, но также и мелкие изделия, например крепеж. Диффузионное цинкование реализуется при нагреве цинкуемых изделий в цинковом порошке при 300–500 oС. В таких условиях и обычно при отсутствии кислорода происходит диффузия порошкообразного цинка в поверхность изделия. Слой получается неровным, но хорошо пристает к поверхности изделия. Способ эффективно применяется для обработки небольших изделий с неровной поверхностью. В строительной промышленности это изделия с резьбой, например болты высокой прочности. Обычно процесс проводится во вращающихся барабанах, толщина покрытия здесь небольшая — 15–30 мкм, иногда до 60 мкм.
Покрытия газотермическим напылением формируются при набрызгивании расплавленного цинка на поверхность изделия. Впервые способ был предложен в 1910 г. Шоопом и иногда называется шоопированием. В настоящее время этот процесс называют газотермическим напылением.
Процесс обычно ведется переносными, ручными приборами. Разбрызгиваемый металл подается в виде проволоки.
При выходе из прибора проволока расплавляется в пламени, например, кислородно-водородном. Расплавленный металл распыляется в среде воздуха и набрызгивается на поверхность изделия.
Поверхность перед подобным процессом должна проходить дробеструйную обработку, так как набрызгиваемый слой пристает только благодаря механическому взаимодействию частиц, с высокой скоростью попадающих на поверхность изделия. Диффузионные процессы здесь не имеют место, так как частицы попадают на поверхность в остывшем состоянии.
Покрытия, полученные подобным образом, состоят из чешуек металла, наложенных одна на другую и расплющенных потоком воздуха. Покрытия получаются достаточно равномерными и плотными и могут иметь большую толщину. Этот метод имеет технические преимущества в случае цинкования больших готовых конструкций или дополнительных покрытий (сварные швы), а также при ремонте покрытий.
Одним из традиционных методов нанесения цинкового покрытия является гальванический (электролитический). Такие покрытия формируются путем нанесения металлических осадков при электролизе раствора соответствующих солей, покрываемое изделие помещается на катоде. Цинкование проходит в ваннах с кислыми или щелочными электролитами, наиболее часто употребляются электролиты с сульфатами.
Слой металла, получившийся при этом методе, наиболее равномерен, чист и при надлежащем ведении процесса беспористый, толщина покрытия небольшая (10 мкм).
Процесс имеет свои недостатки: он наиболее энергоемок, необходимо иметь отдельный цех и квалифицированный обслуживающий персонал. В настоящее время работают лишь отдельные линии для специальных целей. В металлургической промышленности такая линия работает на заводе в г. Лысьва на Урале.
Необходимая толщина цинковых покрытий металлических конструкций регламентируется СНиП 2.03.11-85, она зависит от степени влажности атмосферы, агрессивности газов и их концентрации в условиях эксплуатации. В зависимости от соотношения и сочетания этих факторов степень агрессивности воздействия среды подразделяется на неагрессивную, слабоагрессивную, среднеагрессивную и сильноагрессивную. При покрытиях несущих металлических конструкций рекомендуется применять следующие толщины.
| Степень агрессивности среды | Толщина при горячем цинковании, мкм | Толщина при газотермическом цинковании, мкм |
|---|---|---|
| Слабоагрессивная | 60–100 | 120–180 |
| Среднеагрессивная | 60–100 | 120–180 |
| Сильноагрессивная | более 100 | 200–250 |
Обязательное цинкование предусматривается в следующих случаях: для защиты конструкций с болтовыми соединениями, из незамкнутого профиля со стыковой сваркой и угловыми швами, а также крепежных изделий, монтажных стыковых швов, некоторых конструкций в грунтах.
В последнее время металлургической промышленностью в целях экономии цинка стали поставляться холоднокатаные стали с комбинированным покрытием — цинковое покрытие толщиной 18–25 мкм с внешним окрашиванием специальным полимерным покрытием толщиной 45–60 мкм. Такой металл начал применяться в конструкциях фасадных систем зданий: в слабоагрессивных средах срок эксплуатации этих систем — 50 лет, в среднеагрессивных — 30 лет.
В нашей практике наблюдались замедленные хрупкие разрушения по водородному механизму стальных конструкций после горячего цинкования [1]. При эксплуатации разрушались фермы из крупных холодногнутых сварных квадратных труб 180x180 мм с толщиной стенок 8 мм из стали 09Г2С–12. Трещины распространялись от сварных швов, а также от сильно деформированных угловых зон профилей. В рассматриваемом случае водород, выделившийся при травлении поверхностей в процессе их подготовки и оцинковки, явился движущей силой замедленного разрушения по водородному механизму. Сходным по характеру явилось разрушение горизонтальной траверсы на опоре ЛЭП непосредственно после монтажа конструкции. Здесь разрушился по отверстиям поясной оцинкованный уголок 100x100x8 мм из термически упрочненной стали 14Г2. Замедленное хрупкое разрушение при эксплуатации изделий с цинковым покрытием наблюдалось за рубежом [2–3]. Поэтому горячее цинкование конструкций на ЗМК требует высокой культуры производства.
В заключение следует отметить, что традиционный метод оцинковки как основы защиты от коррозии стальных строительных конструкций является актуальным и в настоящее время из-за уникальной природы цинка. Сегодня рассматриваемые процессы совершенствуются, прежде всего в направлении снижения толщины цинкового покрытия за счет сочетания с различными эффективными красками, грунтами, полимерами и т. п., а также путем создания специализированных линий по нанесению защитных покрытий.