Czy istnieją środki ochrony przed korozją stosowane w przypadku wież zlokalizowanych w obszarach przybrzeżnych?

Dlaczego wieże przybrzeżne są narażone na przyspieszoną korozję

Mechanizmy przenikania chlorków: mgiełka morska, rozpryski pływowe oraz osadzanie się składników atmosferycznych na konstrukcjach wież

Problemy z korozją w wieżach przybrzeżnych wynikają głównie z trzech źródeł narażenia na chlorki: mgły solnej unoszonej przez rozbijające się fale, bezpośredniego uderzenia wody morskiej podczas dużych burz oraz wilgoci bogatej w chlorki, przenoszonej przez wiatr i osadzającej się w czasie. Gdy mgła solna przedostaje się do mikroskopijnych pęknięć w powłokach ochronnych, tworzy przewodzące warstwy, które zapoczątkowują reakcje elektrochemiczne znane jako ogniwa korozji. Dolne części wież są najbardziej narażone na uderzenia wody morskiej, co powoduje ich wielokrotne nasycenie się morską wodą – szczególnie intensywnie podczas huraganów lub burz północno-wschodnich (nor’easterów). Tymczasem chlorki gromadzą się powoli na wszystkich powierzchniach narażonych na działanie atmosfery poprzez osadzanie się z powietrza. Te skumulowane oddziaływania tworzą wyjątkowo trudne warunki, jakie materiały muszą wytrzymać. Stal pozostawiona bez ochrony w obszarach, gdzie fale uderzają w konstrukcje, ulega korozji około 3–5 razy szybciej niż stal umieszczona w normalnych warunkach atmosferycznych, zgodnie ze standardami branżowymi ustalonymi przez NACE International. W przypadku fundamentów betonowych, gdy stężenie chlorków przekroczy 0,15 % całkowitej masy betonu, rozpoczyna się korozja zbrojenia wewnątrz betonu. Powstający rdza rozszerza się, osłabiając całą konstrukcję i prowadząc do odpadania betonu (odpryskiwania) oraz ostatecznej utraty kluczowych elementów nośnych.

Rzeczywiste stopy korozji w strefach ISO 9223 C5-M w porównaniu z oczekiwaniami dotyczącymi czasu życia projektowanego wież przesyłowych i telekomunikacyjnych

Wieży stalowe umieszczane w surowych strefach morskich zgodnie z normą ISO 9223 C5-M ulegają korozji z szybkością znacznie przekraczającą pierwotne oczekiwania inżynierów. Problem jest rzeczywiście poważny: części wykonane ze stali węglowej ulegają erozji z prędkością 80–200 mikronów rocznie, co oznacza, że korodują one około ośmiokrotnie szybciej niż podobne konstrukcje w typowych środowiskach klasy C3. Co to oznacza dla trwałości wież? Większość wież zaprojektowano tak, aby służyły przez 30–50 lat, ale rzeczywistość przedstawia inną sytuację. Ważne elementy, takie jak zestawy śrubowe, wymaga się zastępować co 7–12 lat. Przyglądając się szerszemu obrazowi, utrzymanie infrastruktury przesyłowej wzdłuż wybrzeży kosztuje około 40 procent więcej niż utrzymanie jej w regionach położonych w głębi lądu. Inżynierowie oczywiście zwrócili na to uwagę. Organizacje standaryzacyjne, takie jak IEEE (z wytycznymi 1242) czy NACE (poprzez standard SP0106), wprowadziły obecnie wymogi dotyczące lepszej ochrony przed korozją. Obejmują one m.in. zwiększenie grubości materiału konstrukcyjnego, tworzenie dodatkowych ścieżek nośnych oraz przeprowadzanie szczegółowych ocen lokalizacji przed montażem nowych wież wzdłuż linii brzegowej, gdzie sól zawarta w powietrzu czeka cierpliwie, by stopniowo niszczyć metal.

Systemy powłok ochronnych sprawdzone w zastosowaniach wież nadmorskich

Grunt epoksydowo-cynkowy + warstwa wykończeniowa poliuretanowa: wydajność, koszty cyklu życia oraz interwały konserwacji na stalowych wieżach

Połączenie gruntu epoksydowego z zawartością cynku z powłokami poliuretanowymi zapewnia skuteczną ochronę stalowych wież lokalizowanych w pobliżu linii brzegowej. Bogaty w cynk grunt działa jak ochrona pośrednia poprzez ochronę katodową, podczas gdy odporna na działanie promieni UV powłoka poliuretanowa tworzy wytrzymałą barierę uniemożliwiającą przedostawanie się soli do powierzchni metalu. Badania przeprowadzone w surowych warunkach środowiskowych klasy C5-M wykazały, że trwałość tych powłok wynosi od 20 do 25 lat — czyli prawie dwa razy więcej niż standardowych powłok przemysłowych dostępnych obecnie na rynku. Zastosowanie systemu powłokowego w zalecanym zakresie grubości suchego filmu (120–150 µm) znacząco wpływa na oszczędności kosztów w długim okresie. W porównaniu do typowych harmonogramów ponownego malowania podejście to zmniejsza całkowite koszty cyklu życia o około 40%. Większość prac konserwacyjnych można odłożyć do momentu, gdy upłynie 15–18 lat eksploatacji. Jednakże, jeśli powłoka zostanie nałożona zbyt cienko — nawet przy niedoborze zaledwie 30 µm względem docelowej grubości — przewidywany czas jej trwałości skraca się o około 35%. Dlatego też przestrzeganie norm SSPC PA2 podczas nanoszenia powłoki pozostaje kluczowe dla uzyskania maksymalnej wartości z tych systemów ochronnych.

Pozyskujące i hybrydowe powłoki do fundamentów wież betonowych w strefach przypływu i zraszania

Fundamenty betonowe narażone na działanie fal znacznie korzystają z powłok cementowych modyfikowanych polimerami, które głęboko przenikają w podłoże i pozwalają na odprowadzanie pary wodnej w obszarach objętych wpływem przypływu i rozbryzgu wody. Powłoka działa poprzez uszczelnianie pęknięć o szerokości nawet 0,5 mm dzięki tworzeniu się kryształów, zapobiegając wnikaniu chlorków, ale jednocześnie umożliwiając naturalne odprowadzanie wilgoci. Ta przepuszczalność dla pary wodnej pomaga uniknąć problemów takich jak pękanie (powstawanie grudek) lub odpryskiwanie powłoki podczas zanurzenia. Badania wykazały, że mieszanki hybrydowe epoksydowo-siloksanowe zmniejszają wnikanie chlorków o prawie 92% w porównaniu do zwykłego betonu w warunkach strefy rozbryzgu. Aby osiągnąć dobre rezultaty, powierzchnie wymagają odpowiedniej przygotówki zgodnie ze standardem branżowym SSPC SP13 lub NACE 6, a grubość powłoki powinna wynosić co najmniej 2,5–3 mm, aby wytrzymać zużycie spowodowane piaskiem i pozostałościami. Regularne kontrole co dwa lata oraz kompleksowe oceny co pięć lat pozwalają na wczesne wykrycie ewentualnych problemów. Szczególną uwagę należy zwrócić na miejsca najbardziej narażone na uderzenia szybko poruszających się fal, gdzie zużycie ma tendencję do koncentracji.

Materiały odporne na korozję oraz powłoki ochronne dla elementów wieży

Stal nierdzewna (316, 2205) i stal odporna na działanie atmosferyczne: wytyczne dotyczące zastosowania oraz zgodność konstrukcyjna w przypadku ram wież przybrzeżnych i elementów złącznych

Wybór odpowiednich materiałów ma kluczowe znaczenie dla długości życia wież przybrzeżnych. Stal nierdzewna stopu 316 zawiera około 2–3 procent molibdenu, co zapewnia jej dobrą ochronę przed uciążliwymi ubytkami i szczelinami powstającymi w trakcie korozji. Dlatego jest ona szczególnie odpowiednia do ważnych elementów, takich jak śruby, wsporniki oraz połączenia między elementami konstrukcyjnymi. W przypadku głównych elementów nośnych narażonych zarówno na uderzenia fal, jak i gromadzenie się soli, lepszym wyborem jest stal nierdzewna duplex 2205, ponieważ znacznie lepiej radzi sobie ze zjawiskiem korozji napięciowej oraz charakteryzuje się wyższą wytrzymałością na rozciąganie. Stal przeznaczona do pracy w warunkach atmosferycznych tworzy z czasem warstwę ochronną pod wpływem cykli wilgotności, dlatego może być stosowana w częściach wieży znajdujących się nad poziomem wody, gdzie ekspozycja na sól nie jest stała. Należy jednak zachować szczególną ostrożność w obszarach, w których morska woda regularnie rozpryskuje się na konstrukcję, ponieważ ciągła ekspozycja na jony chlorkowe ostatecznie prowadzi do degradacji tego materiału zgodnie ze standardami takimi jak ISO 9223 C5-M. Istotne jest również zapobieganie bezpośredniemu kontaktowi różnych metali. Podczas łączenia metali o różnej naturze konieczne jest ich izolowanie elektryczne. Ponadto podczas operacji spawania kluczowe znaczenie ma precyzyjna kontrola temperatury, aby zachować odporność na korozję. Czasami po spawaniu dodatkowa obróbka zwana pasywacją pomaga przywrócić ochronę powierzchni.

Strategie ochrony katodowej dla fundamentów wież przybrzeżnych połączonych z ziemią

Elektrochemiczna ochrona katodowa (CP) stanowi kluczową metodę ochrony fundamentów wież przybrzeżnych połączonych z ziemią — w szczególności tych zanurzonych w wodzie morskiej lub osadzonych w glebach słonawych. Zastosowane są dwie główne metody, każda z nich dostosowana do określonych warunków eksploatacyjnych:

• Ochrona katodowa za pomocą anod rozpraszających : Anody cynkowe, glinowe lub magnezowe są połączone elektrycznie ze stalowymi elementami fundamentu. Anody te ulegają korozji preferencyjnie, wydłużając tym samym czas użytkowania konstrukcji o 15–20 lat w agresywnych środowiskach morskich. Metoda ta jest szczególnie skuteczna w przypadku fundamentów trudno dostępnych do konserwacji lub monitorowania.

• Impresyjna katodowa ochrona prądem stałym (ICCP) działa poprzez przesyłanie przez prostownik kontrolowanego prądu stałego do specjalnych anod wykonanych z materiałów takich jak tlenki mieszane metali (MMO) lub kombinacje platyny z niobem. Powoduje to ochronę całej struktury znajdującej się pod ziemią lub zanurzonej w wodzie. System ten zdobył dużą popularność w przypadku dużych projektów wymagających trwałości przez dziesięciolecia, szczególnie w odniesieniu do masywnych fundamentów wspierających turbiny wiatrowe morskie. Dlaczego? Systemy ICCP można dostosowywać w miarę potrzeb, monitorować zdalnie bez konieczności regularnego wysyłania zespołów serwisowych, a w wielu rzeczywistych zastosowaniach działają prawidłowo przez ponad 25 lat. Te cechy czynią je idealnym rozwiązaniem dla krytycznej infrastruktury, gdzie dostęp do konserwacji może być utrudniony lub kosztowny.

Hybrydowe systemy ochrony katodowej (CP) — łączące anody rozpraszające w pobliżu linii błota z elektrochemiczną ochroną katodową prądem stałym (ICCP) dla głębszych części pali — są coraz częściej stosowane w strefach przejściowych między falowaniem a przypływem, gdzie tempo korozji przekracza 0,5 mm/rok. Jednolite rozprowadzanie prądu zależy krytycznie od strategicznego rozmieszczenia anod, mapowania oporności gruntu oraz okresowych pomiarów potencjału zgodnie ze standardami NACE SP0169 i ISO 15257.

Często zadawane pytania

1. Dlaczego wieże nadmorskie ulegają szybszej korozji niż wieże położone w głębi lądu?

Wieże nadmorskie ulegają szybszej korozji z powodu ekspozycji na mgiełkę morską, falowanie i osadzanie się chlorków z atmosfery, co przyspiesza proces korozji.

2. Jakie są typowe środki ochronne stosowane dla wież nadmorskich?

Typowymi środkami ochronnymi są: stosowanie podkładów epoksydowo-cynkowych z powłokami poliuretanowymi, wykorzystywanie materiałów ze stali nierdzewnej, takich jak stal nierdzewna klasy 316 lub stal nierdzewna duplex 2205, oraz zastosowanie systemów ochrony katodowej, np. ochrony katodowej za pomocą anod rozpraszających (sacrificial anode CP) i elektrochemicznej ochrony katodowej prądem stałym (ICCP).

3. Jak często należy przeprowadzać przeglądy konserwacyjne powłok ochronnych na wieżach nadmorskich?

Regularne kontrole powinny być przeprowadzane co dwa lata, a pełne oceny – co pięć lat, aby wykryć problemy na wczesnym etapie, szczególnie w obszarach narażonych na działanie szybko poruszających się fal.

4. Co to jest ochrona katodowa i jak działa ona w przypadku uziemionych wież nadmorskich?

Ochrona katodowa wykorzystuje anody pośredniczące lub systemy prądu wymuszonego w celu zapobiegania korozji poprzez przekierowanie prądów korozyjnych z konstrukcji stalowych.