Filmgalvanisering på vei- og jernbanebroer

Transkript

1 Rick Simpson, Zinga: Filmgalvanisering på vei- og jernbanebroer RUST OG RÅTE 30

2 Historsik oversikt: Alle land i verden er fremdeles svært avhengig av å bruke jern og stål til å sette opp forskjellige strukturer, og slik vil det være i lang tid fremover. Konstruksjonene kan være broer, ledningsmaster, telekommunikasjonstårn og hundrevis av lignende ting. Men, den moderne verdenen vi lever i har ført til at luftforurensningen har økt voldsomt de siste to tiårene og selv om mange land har iverksatt omfattende tiltak, øker forurensningen fortsatt og påvirker nedbrytningen betydelig. I land som Storbritannia kjemper 28 millioner biler om plassen på veiene. I Frankrike produserer de over 1,9 millioner biler (det finnes allerede over 50 millioner på veiene) og i Sverige produserte de biler i 2011 (0,3 % av det totale antallet i verden). Svovelutslippene er altså ikke til å stoppe. I europeiske land oppfordret myndighetene bilførere for noen år siden til å bytte til dieseldrevne biler for å bidra til å redusere utslippene. De nyeste tallene fra en rekke værmeldingssentraler viser imidlertid at dette ikke har vært en vellykket strategi. De rapporterer at det i enkelte områder er en økning av svovelnivåene i atmosfæren. I østlige land øker problemet hvert år, siden antallet biler (og spesielt motorsykler) øker jevnt og trutt. (I Kina produserte de over 14 millioner biler i 2011, noe som ga en tilsvarende rask økning i svovelforurensningen). Vi må også ta med i betraktningen utslippene fra kullkraftstasjonene som fremdeles er i drift i Europa, siden disse vil være i bruk i årevis før de stenges og til slutt erstattes. I tillegg til de ovennevnte menneskeskapte faktorene som angriper jern og stål, har vi også naturlige faktorer som saltvann, sjøsprøyt, salttåke, løst atmosfærisk nitrogen (som danner salpetersyrer) og noen få andre. Disse naturlige fenomenene forårsaker også skade som koster samfunnet mange milliarder euro i året. 31 RUST OG RÅTE

3 All rust må fjernes med sandblåsing. Sandblåst flate SA 2,5. Ferdigmalte bolter. Jern og stål Disse to metallene er svært tett forbundet siden jern blir til stål bare ved å tilsette litt karbon. Dette gjør stålet lett å forme, slik at det enkelt kan bøyes, rulles, presses og brettes. Det er også enkelt å sveise på stålet, og det er generelt et glimrende materiale for produksjon og konstruksjon. Støpejern er et interessant materiale. Mange tror at støpejern normalt ikke ruster, men sannheten er at den kan inneholde ti ganger så mye karbon som stål og likevel være et skjørt materiale. Hva er fellesnevneren for disse to metallene? Karboninnholdet. Og det er det som gjør dem aktive i hele levetiden sin. Enten et stålstykke ligger tørt inne i verkstedet eller værutsatt på stranden, er det uansett aktivt 24 timer per dag. Inne i metallet går det en konstant strøm av elektroner fra karbonrike steder til karbonnøytrale steder, og avstandene mellom disse kan være så små som 1 µm. Det skjer ingenting på tørt stål, men der stålet er vått, dannes det en «returvei» via vannet eller overflatefuktigheten der strømmen ledes tilbake til startpunktet. Resultatet er en korrosjonscelle. Elektronene blir til ioner og overføres på grenseflaten mellom stålet og vannet. På det karbonrike «startpunktet» der elektronene har sin opprinnelse, dannes det en korrosjonsgrop eller «rustflekk». Jo lenger stålet er vått eller fuktig, jo lenger varer denne strømningen. Rusten blir stadig dypere og trenger inn i overflaten på stålet etterhvert som det løser seg opp. Stålets livssyklus Jern lages ved å utvinne jernoksid fra bakken, varme det opp i enorme ovner med kalkstein ved svært høye temperaturer. Jernet trekkes deretter ut og gjøres om til forskjellige jern- og stålprodukter. Denne prosessen gir oss et produkt som har flere millioner bruksområder, men når det lages om til stål til bruk i strukturer, dannes også ett av de mest ustabile materialene i verden. For å gjøre den vitenskapelige informasjonen mer tilgjengelig må vi se på jern og stål på følgende måte: «Helt fra jern og stål tilvirkes vil de forsøke å gå tilbake til den naturlige tilstanden et rødt pulver kalt jernoksid, eller bedre kjent: som rust!». Jern og stål har en svært Filmgalvanisering øker levetiden på fundamenter. RUST OG RÅTE 32

4 I gamle dager ble stålet smurt med hvalfett. ustabil tilstand. De starter livet som et rødt pulver og bruker resten av livssyklusen på å prøve å gå tilbake til en stabil tilstand: det røde pulveret. Derfor er bruken av maling, galvanisering og påtrykt strøm kun en metode for å bryte denne syklusen slik at stålet varer lenger. Jo lenger livssyklusen avbrytes, jo lenger varer jernet og stålet. Beskyttelse for broer: Hvalolje På slutten av 1800-tallet ble hvalolje brukt til å beskytte jernet og stålet på den berømte Forth Railway Bridge i Skottland. Oljen ble påført både på og i overflaten til metallet, og dette hindret at stålet ble vått eller fuktig. Denne oljen kunne kun utvinnes fra spermhvalen, og det høye voksinnholdet og de vannbestandige egenskapene gjorde den til en perfekt beskyttelse for jern. Oljen ble påført i spalteforbindelser for å forhindre spaltekorrosjon, siden ingeniørene allerede var klar over at vanndampen ble trukket inn i spaltene av kapillarkrefter. Over hvaloljen la de på noen lag med rød blymaling (blandet med linfrøolje). Denne praksisen ble videreført til 1972, da hvaljakten ble forbudt, og det ble tatt i bruk moderne maling på broen. Malingtyper Noen av de første malingsfabrikkene i USA ble åpnet i 1886, og maling har blitt brukt til industriformål i svært lang tid. Malingsindustrien har gjennomgått mange endringer de siste hundre årene. Blant annet har lovendringer, oppdagelser av nye typer harpiks og menneskeskapte kjemiske stoffer fra olje- og gassektoren ført til endringer i malingssystemene. Noen av de eldre malingstypene, som alkener (olefiner), var enkle å påføre, tørket sakte og hadde et høyt glansnivå, men ga lite beskyttelse for stålet under. Etter hvert ble malingstyper som klorinert gummi og vinyl svært populære (vinylmaling er fremdeles mye brukt i enkelte land), men på grunn av det høye innholdet av løsemidler var de ikke i samsvar med de nye VOC-reglene, og de ble forbudt. Vinylmaling var så vannbestandig at de ble brukt på mange oljeplattformer offshore. Men malingsekspertene strides om moderne maling og mange sier at flere av dem ikke er like gode som noen av de eldre typene. Slike påstander underbygges av at enkelte nye malingstyper er blitt brukt på vindturbiner til havs med svært dårlig resultat. (I ett tilfelle ble over 50 turbiner rammet av slett beskyttelse!). På grunn av den korte malingssesongen i Norge kan det være vanskelig å arbeide raskt nok til å få lagt på systemer som består av tre til fire lag. I godt (og tørt) vær vil det ta minst fire dager å legge på et slikt system. Hvis det da kommer regn eller kalde dager mellom lagene, kan det føre til at for eksempel epoxyen, «utløper», og det blir nødvendig å blåserense området på nytt. På kaldt stål i områder med høy luftfuktighet kan det oppstå amineblomstring, og dette kan ta opptil en uke å utbedre før det neste laget med maling kan påføres. Termisk sprøyting Systemet med å legge smeltet metall på en ståloverflate ble patentert i 1882 i Sveits, 33 RUST OG RÅTE

5 Jernbanebro. og metoden ble først brukt i Storbritannia i Den ble brukt kommersielt for første gang i Teknologien er altså ikke ny, den har vært i bruk i svært lang tid. Sink De første brokomponentene som ble belagt med termisk (flamme) sprøytet sink (TSZ), var på 1930-tallet. Den aktuelle konstruksjonen var en bro som ble bygd i Storbritannia og senere ble sendt sjøveien til New Zealand og reist over Menai Straits. Britiske ingeniører oppdaget at hvis flammesprøytet TSZ ble påført et lag maling, ville det forlenge levetiden og redusere vedlikeholdet betraktelig. Systemet ble først brukt på Auckland Harbour Bridge, og deretter på Pierre Laporte Suspension Bridge i Quebec (etter at malingssystemet ikke fungerte på den 164,000 m² store strukturen). Disse ble etterfulgt av mange strukturer fram til 1970-tallet. Teknologien ble stadig mindre brukt etter at sinksilikater viste seg å være mye raskere og rimeligere å påføre. På verdensbasis er det mange selskaper som bruker TSZ på komponenter som ikke kan varmgalvaniseres. I mange land brukes TSZ fremdeles, og det legges spesielt vekt på de områdene der enkelte punkter stikker ut av beleggene med organisk maling, noe som kan føre til tidlig nedbryting i disse områdene. For å forsegle et TSZ-belegg må det forseglende laget bestå av en type som ikke inneholder mange faste stoffer, og som tåler fuktighet godt. Det må også enkelt kunne trekkes inn i den porøse overflaten til sinken og fortrenge luft og/eller fuktighet i disse områdene. For å forsegle et skadet TSZ-belegg er den beste og rimeligste metoden å bruke et filmgalvaniseringssystem. Stålet må uansett blåserenses, og ved å bruke filmgalvaniseringssystemet halveres både påførings- og herdetiden. Ved hjelp av utstyr for våtblåsing er det mulig å fjerne potensialet for luftforurensning og støve mindre samt redusere blåse- og beleggsintervallene dramatisk. Dette vil ha store fordeler med tanke på trafikkforsinkelser på vei- og toglinje-arbeider. Aluminium I likhet med termisk påføring av sink har termisk sprøytet aluminium (TSA) blitt brukt i lang tid og er ikke en ny teknologi. I land som Storbritannia brukes TSA fremdeles på en rekke broer i kombinasjon med beskyttende topplag av epoksy og polyuretan. I Norge, hvor TSA duplekssystemer er brukt på enkelte strukturer i kystmiljøer, har det oppstått katodereaksjoner på aluminium-/ståloverflater, som reduserer de lokale oksygennivåene for disse grenseflatene. «Hvis det utsettes for vanndamp, dannes det saltsyre som raskt angriper aluminiumen, og belegget ødelegges» Dette skaper en anodisk reaksjon i grenseflaten mellom aluminium/maling, som be- RUST OG RÅTE 34

6 Bilder av en stålkabel på Kalvøybroa utenfor Oslo etter at den ble filmgalvanisert for nærmere 20 år siden (den har aldri blitt påført et topplag av maling!) gynner å løse opp aluminiumsmetallet. Den marine atmosfæren trenger da gjen - nom malingen, og forskjellene i elektriske ladninger utjevnes på de katodiske/ anodiske stedene i duplekssystemet. Dette vil igjen føre til at det dannes aluminiumklorid, som i motsetning til sinkklorid er et svært reaktivt stoff. Hvis det utsettes for vanndamp, dannes det saltsyre som raskt angriper aluminiumen, og belegget ødelegges. Selv tynne topplag over TSA kan noen ganger bidra til å unngå dette, siden vanndamp lettere beveger seg gjennom den tynne filmen og deretter ut igjen i atmosfæren. Disse tynne topplagene mangler imidlertid substansen som trengs for å danne et ubøyelig og heftende lag over aluminiumet, og det kan gi et dårligere og mindre pent resultat. For å forsegle et TSA-belegg må det forseglende laget bestå av en type som ikke inneholder mange faste stoffer, og som tåler fuktighet godt. Det må også enkelt kunne trekkes inn i den porøse overflaten til sinken og fortrenge luft og/eller fuktighet i disse områdene. For å reparere skadet TSA kan filmgalvaniseringssystemet Zinga brukes, men kun på legert TSA med et sink/ alu miniumsforhold på 85:15. Varmgalvanisering Ett av problemene ved å bruke varmegalvanisering (HDG) på lange bjelker som utsettes for daglige variasjoner i stressnivå på grunn av variert strekkbelastning, er variasjoner i hardhet mellom lagene. Det nedre sink-stål-laget («gammalaget») har en hardhetsfaktor på 229 DPN, mens stålet under har en hardhetsfaktor på bare 159 DPN. «når det gjelder korrosjon, slites sinklaget bort av faktorer som veisalt, nitrat- og sulfatholdig regn og vær generelt» Det er derfor enkelt å forstå at der to metaller med så forskjellig elastisk grense (Youngs Modulus) er forbundet som ett enkelt lag, vil dette laget splittes på et visst punkt når elastisiteten til HDG-gammalaget er nådd eller overstiges. I årenes løp har det blitt registrert flere tilfeller av stålkomponenter hvor det oppstår sprekker. Det skjer som regel nær sveisesømmer eller i varmepåvirkede soner, og oftere for enkelte stålklasser. Dette gjelder spesielt stål som overstiger 1000 MPa. Og, når det gjelder korrosjon, slites sinklaget bort av faktorer som veisalt, nitrat- og sulfatholdig regn og vær generelt. Siden HDG bare kan utføres i et kar, er den beste metoden for å reparere eller bygge opp HDG-sinklaget å bruke et filmgalvaniseringssystem. Dette kan gjøres innendørs eller på stedet. Det har den samme beskyttende spenningen som TLF: ole.hoiby@wagner-industri.com HDG, og den opprettholder spenningsstrømmen gjennom HDG til stålet under beskyttelsen av stålet er intakt. HDG-laget som beskytter utilgjengelige områder av stål under bolthoder, pakninger, overlappinger og braketter osv., opprettholdes ved å bruke filmgalvanisering, og da med den samme spenningen. Disse områdene vil forbli «polariserte» og fullstendig beskyttede. Filmgalvanisering Beskyttelsessystemet ble lansert på markedet på 1970-tallet, og på 1980-tallet ble det stadig oftere brukt på broer og andre store strukturer. 35 RUST OG RÅTE

7 Én av de første faktorene som påvirket brodesignere, var at elastisiteten til sinklaget var mye høyere enn stålunderlaget. Det betydde at sinklaget aldri ville sprekke eller slites i stykker, og at det alltid ville være godt forbundet til stålunderlaget. Den andre faktoren som vekket interessen deres, var at sinklaget ikke måtte forsegles på samme måte som TSA eller TSZ. (Filmgalvanisering forsegler seg selv, og det svært raskt). «hvis laget med filmgalvanisering var tykt nok til å vare i 10 år, ville det få en brukstid på 20 til 25 år med et PU-topplag eller epoksy/ PU-topplag av god kvalitet» I likhet med varmegalvanisering hadde filmgalvanisering en «synergifaktor» på mel - lom 2,0 2,5, uten at det måtte behandles kjemisk med etsgrunning eller lignende. Det betydde at hvis laget med filmgalvanisering var tykt nok til å vare i 10 år, ville det få en brukstid på 20 til 25 år med et PU-topplag eller epoksy/pu-topplag av god kvalitet. I likhet med varmgalvanisering ville filmgalvaniseringslaget kunne motstå store fysiske påkjenninger uten at det oppsto skade eller at det ble fjernet fra ståloverflaten. Det ville gi dramatisk reduserte vedlikeholdskostnader på alt stålet. (I likhet med HDG har Zinga et omfang på opptil 15 mm) Bærekabler i stål På grunn av de høye strekkog forvrengningsfaktorene til filmgalvanisering var det naturlig å bruke systemet til oppussing av hengekabler i tillegg til de andre korrosjonsbeskyttende tiltakene på broene. For å kunne behandle galvaniserte wirer i tvinnede kabler må de rengjøres med vann og mildt skuremiddel. Dette gjøres for å (a) fjerne korrosjonsprodukter og (b) eventuelle harde oksider osv. som kan finnes på overflaten. Det sørger også for riktig ruhet, slik at filmgalvaniseringssinken har god heft. Hvis wirene rengjøres ved hjelp av spyling, skal trykket normalt være minst 200 bar (20 MPa) for å kunne fjerne nitrater og sulfater som ikke er synlige. Gjenstridige salter og korrosjon krever ofte et trykk på 400 bar, og det øvre trykkkravet for slikt arbeid er vanligvis 700 bar (70 MPa). Et annet godt eksempel på god holdbarhet er som nevnt Kalvøybrua, utenfor Sandvika. I 1985 var det behov for et omfattende vedlikehold, nærmere 24 år etter at brua ble bygget. Etter forberedelser i form av rensing av salter og andre forurensinger ble det påført 2x60 my med malerpensel. I 2014 var sinklaget fremdeles i god forfatning etter snart 30 års virke. Brua ligger i lav høyde over salt sjø i indre Oslofjord. Eieren av brua, Bærum kommune, ønsket å rehabilitere brua, siden stålet var lite angrepet av rust og at de dermed kunne begrense vedlikeholdet ved kun å rense overflaten, og så påføre mer sink med minimal kostnad. Siden 1985 har eieren kun brukt 5 kg ZINGA til å reparere mekaniske skader, hovedsakelig på rekkverkene. Entreprenøren Consolvo Overflate AS utførte avtrekksprøver på den gamle sinkoverflaten før renovering. Resultat: 11 MPa! Normalen på gammel sink ligger på 4-6 MPa. Dette er igjen en bekreftelse på at filmgalvaniseringssystemet har mange gode egenskaper, og som passer utmerket under norske forhold. Den blir mer og mer hardfør og slitesterkt med årene! RR FLYTENDE KATODISK GALVANISERING påføres med malerkost, rulle eller sprøyte Shutterstock (illustrasjonsfoto) ZINGA Norway AS - Tlf post@zinganorway.no -