Kodėl cinkuota plienas atsparus korozijai drėgnose aplinkose?

Aukso apsauga: kaip cinkas elektrochemiškai apsaugo cinkuotą plieną drėgnoje aplinkoje

Elektrocheminis principas: cinkas kaip anodas drėgnose atmosferinėse elementuose

Cinkuoto plieno apsauga kyla iš cinko gebėjimo cheminėje aplinkoje pranašesniu būdu atlaikyti koroziją drėgnose sąlygose. Drėgmė sukuria ploną drėgmės sluoksnį paviršiuje, kuris inicijuoja natūralią reakciją tarp metalų. Cinkas tampa neigiamuoju poliumi (anodu), o plienas – teigiamuoju (katodu). Toliau vyksta gana protingas procesas: cinkas pradeda oksiduotis pirmasis, efektyviai aukodamas save, kad apsaugotų esamą po juo plieną. Šie maži cinko dalelių gabalėliai toliau juda metalo paviršiumi, maišydami su vandens garais ir oro elementais, sudarydami naujus apsauginius sluoksnius. Pagal tarptautinius standartus, tokius kaip NACE International ir ISO 1461, cinkas iš tikrųjų tirpsta 10–100 kartų lėčiau nei įprastas neužtikrintas plienas, veikiamas nuolatinės drėgmės. Tai reiškia, kad konstrukcijos lieka stiprios ir vientisos net tada, jei dalis dangos laikui bėgant nusitrina arba nusidėvi.

Cinko suvartojimo lygis ir tarnavimo laikas esant nuolatiniam aukštam drėgniui

Taip cinkas koroduojasi, kad galvanizuotas plienas išsilaiko vietose, kur oro drėgmė yra didelė. Kai drėgmė pasiekia apie 90%, cinkas išnyksta gana lėtai, palyginti su įprastiniu plienu. Kalbama apie 1-2 mikrometrus per metus, palyginti su daugiau nei 50 mikrometrais paprastame pliene. Dar geriau, kad kai cinkas susiduria su elementų, jis sudaro apsauginį cinko karbonato sluoksnį, kuris lėtina koroziją iki maždaug pusės mikrometro per metus. Taigi, jei kas nors naudoja standartinį 85 mikrometrų karštojo sulčiojimo galvanizacijos dangą, jis gali tikėtis, kad jo metalinės konstrukcijos išliks ilgiau nei 35 metus šiose drėgnose pramoninėse aplinkose, nereikalingų remonto. Amerikos galvanizatorių asociacija stebėjo šią medžiagą daugelį metų ir jų išvados atitinka ir tropiniuose regionuose atliktus korozijos tyrimus.

Barjerinė apsauga: cinko fizinis vaidmuo blokuojant drėgmę ir deguonį

Galvanizotasis plienas naudojasi dviem papildomais apsaugos mechanizmais: elektrochemine aukoda ir fizinės kliūties veikimas. Cinko tanki, kristalinė struktūra savaime atsparus vandens garui ir deguonies įsiskverbimui net esant ekstremaliam drėgniui, todėl jis yra unikali pakrančių ir tropinių vietovių aplinkoje.

Plokščių vientisumas ir drėgmės neperleidžiamumas pakrančių ir tropiniuose klimatuose

Aukšto drėgmės regionuose, pavyzdžiui, Floridoje ar Pietryčių Azijoje, cinko neprieinamasis yra būtinas. Nepertraukiamas, nepažeistas dangtelis neleidžia deguoniui ir drėgmei pasiekti plieno pagrindo. Optimali barieros funkcija priklauso nuo:

• Cinko sluoksnio storis ≥ 80 μm (ASTM A123 atveju)
• Nešalinamas mechaninis pažeidimas arba dėmimas
• Konstrukcijos funkcijos, mažinančios druskos purškimo kaupimąsi

Cinkas yra visiškai kitoks, nei tie poringi danginiai. Jo kristalinė struktūra yra taip suspausta, kad neatsiima drėgmės, ir lieka sausa net tada, kai drėgmė siekia 95 procentų. Šis natūralus atsparumas puikiai derinama su cinko apsauga nuo metalo paviršiaus, kuris tampa labai svarbus vietovėse, kur yra condensatas ir druskus oras iš vandenyno. Įvairiuose pakrančių regionuose atliekami lauko bandymai nuolat rodo, kad tinkamai galvanizuotos konstrukcijos trunka nuo dviejų iki trijų kartų ilgiau nei jų neapsaugos konstrukcijos. Kodėl? Ši dviguba apsauga, apie kurią kalbėjome, kasdien veikia prieš griaudinančius elementus.

Patinos formavimas: kaip galvanizuotas plienas pašalinamas per cinko karbonatą drėgname ore

Stabilus patinos vystymosi kinetikas JAV aukštos drėgmės regionuose (pvz., Floridoje, Persijos įlankos pakrantėje)

Cinkuotas plienas drėgnose vietovėse, tokiomis kaip JAV Meksikos įlankos pakrantė, sukuria apsauginį sluoksnį dėl atmosferoje vykstančių natūralių reakcijų. Kai drėgmė sumaišoma su anglies dioksido, atsiranda mažyčiai cinko karbonato kristalėliai ant atviros cinkuotos paviršiaus. Šie kristalėliai užpildo mažas poras ir padengia nedidelius metalo defektus. Visas procesas greitėja, kai drėgmė išlieka aukštesnė nei 60 %. Tyrimai, atlikti tropinėse vietovėse, parodė, kad šis apsauginis sluoksnis visiškai susiformuoja per šešis iki aštuoniolikos mėnesių – tai apie du kartus greičiau nei sausose klimato zonose. Rezultate susidaro storas, lipnus sluoksnis, kuris sumažina koroziją beveik 90 %, palyginti su įprastu, neapsaugotu plienu. Dar geriau – jei vėliau atsiranda įbrėžimų ar nusibrozdinimų, medžiaga gali savarankiškai greitai atsistatyti.

Baltasis rūdys ir apsauginis patinas: kritiniai drėgmės ir CO₂ slenksčiai

Patinos stabilumas labai priklauso nuo aplinkos pusiausvyros. Esant maždaug <50 ppm CO₂ ir drėgmei aukščiau ~85% – ypač stovinčiose, blogai vėdinamose vietose – vietoj karbonato susidaro cinko hidroksidas (Zn(OH)₂). Šis baltas, miltelių pavidalo „baltasis rūdys“ yra porėtas ir nelabai apsauginis, dėl ko greitėja lokalizuota korozija. Priešingai, patvarus pilkas patinos sluoksnis šiomis sąlygomis susidaro patikimai:

• CO₂ koncentracija : >50 ppm
• Santykinė drėgmė : 60–80%
• Temperatūra : 10–40°C (50–104°F)

Todėl atviroje erdvėje esančios konstrukcijos Miamei pasižymi tvirta patina, o uždarose pakrančių zonose esanti įranga dažnai kenčia nuo baltojo rūdžiavimo. Svarbu užtikrinti pakankamą oro cirkuliaciją – tiek sandėliavimo metu, tiek naudojimo metu – kad būtų užtikrintas CO₂ prieinamumas ir ilgalaikė savaiminė apsauga.

Realios veiklos ribos: kai drėgmė ir chloridai iššaukia išbandymą cinkuotam plienui

Cinkuotas plienas yra patvarus, tačiau jis turi savo ribas, kai veikiamas didelės drėgmės ir chloridų turinčių terpės. Šią problemą dažniausiai pastebime pakrantėse ir jūrinėje aplinkoje, kur cinko sluoksnis nusidėvi greičiau nei įprastai. Kai oro chlorido kiekis pasiekia apie 5 mg viename kvadratiniame metre per dieną, cinkuotų dengtų paviršių būklė pradeda greitai blogėti. Esant koncentracijai virš 10 mg/m²/dieną, apsauginis barjeras jau nebeveikia tinkamai. Taip pat ypatingą poveikį cinko danga patiria tropikuose, kai santykinė drėgmė pastoviai siekia daugiau nei 80 %. Ten korozija vyksta 3–5 kartus greičiau nei sausose vietovėse, o tai blogiausiu atveju gali sutrumpinti konstrukcijų tarnavimo laiką dvigubai. Svarbiems projektams ar tiems, kuriuose kyla saugumo klausimų, protinga taikyti papildomą apsaugą. Galimos parinktys – derinti cinkavimą su dažais, naudoti storesnius apsaugos sluoksnius arba visiškai pereiti prie tokių medžiagų kaip nerūdijantis plienas šiose sudėtingose sąlygose.

DUK

Koks elektrocheminis principas slypi cinko apsaugai plieno atžvilgiu?

Cinkas veikia kaip anodas elektrocheminėje reakcijoje su plienu, kurio metu oksiduojasi cinkas, apsaugodamas plieną.

Kiek laiko galvanizuotas plienas tarnauja esant aukštai drėgmei?

Su standartiniais dengtais sluoksniais galvanizuotas plienas drėgnose sąlygose gali išlaikyti daugiau nei 35 metus dėl lėto cinko korozijos greičio.

Kokie veiksniai stiprina cinko barjerinę apsaugą?

Barjerinė apsauga priklauso nuo cinko sluoksnio storio, pažeidimų nebuvimo ir druskos smurdo kauptis mažinimo.

Kaip cinko karbonatas prisideda prie galvanizuoto plieno savireguliacijos?

Drėgnomis sąlygomis cinko karbonatas sudaro apsauginį sluoksnį ant cinko, užsandarindamas nedidelius defektus ir mažindamas koroziją.

Kada galvanizuotas plienas susiduria su iššūkiais pakrančių ir jūros aplinkose?

Didelis chloridų kiekis ir pastovi drėgmė gali pagreitinti cinko denginių nusidėvėjimą, sumažindami jų apsauginį tarnavimo laiką.