Působení bludných proudů na kovové konstrukce a jejich degradace (1)

1. Úvod

Získaná zkušenost z působení bludných proudů na kovové konstrukce začala zcela prozaicky. Na základě předběžné telefonické konzultace a osobního jednání jsem byl v roce 2010 požádán o zjištění možnosti vzniku a působení bludných proudů na kovové konstrukce v obci pod výběžky Oderských vrchů. Její rozloha činila 370 ha a měla asi 250 obyvatel.

Daný problém, zjištěný po vybudování blízké vlakové vlečky, bylo nutno vyřešit pouze na základě posouzení poskytnutých materiálů a provedené obhlídky, fotodokumentace a odborného posouzení. K pozorování úniku bludných proudů docházelo v období od roku 2007 do roku 2008. Pokud byl ovšem technický stav zařízení vlečky, včetně zabezpečovacího zařízení, stejný v roce 2003 jako v roce 2007, potom lze předpokládat, že docházelo k úniku bludných proudů již i v období od roku 2003 do roku 2008. Od samého počátku pozorování bludných proudů existovalo podezření, že příčinou je vlečka firmy, zabývající se sypkými hmotami. Vlečka byla zaústěná do celostátní dráhy v nejbližší žst. výhybkou č. 12 do koleje č. 6 (dále jen vlečka) nejbližší železniční stanice. Příčina úniku bludných proudů však nebyla známá. Pod pojmem bludný proud rozumíme stejnosměrný elektrický proud přicházející zemí a vycházející z elektrických zařízení nedostatečně izolovaných proti zemi nebo využívající zem jako zpětný vodič. Zdrojem bludných proudů jsou především elektrizované tratě, pouliční dráha, doly, metro, apod. Rychlost elektrolytické koroze je dána velikostí procházejícího proudu. Anoda se rozpouští velice rychle, katoda nebývá narušena vůbec. Koroze bludnými proudy v daných terénních podmínkách je znázorněna na obr. 1. V tomto případě se při průjezdu lokomotivy dostává část trakčního proudu do půdy a pak do potrubí a vrací se půdou ke zdroji (do měnírny).

Obr. 1. Znázornění průběhu bludných proudů při průjezdu lokomotivy po hlavní trati; 1- kolejnice, 2- potrubí, 3- napájecí zdroj

Obecně je známo, že účinky bludných proudů na potrubí lze zmírnit volbou trasy, pasivní ochranou, aktivní ochranou a rovněž vhodnými úpravami na tratích, elektrizovaných stejnosměrným proudem, obr. 2.

Volba trasy vždy navazuje na korozní průzkum, při kterém se zjišťuje agresivita půdy a možný výskyt bludných proudů. Zásadou je:

–          aby potrubí procházelo půdou s co největší rezistivitou,

–          aby bylo co nejvíce vzdáleno od bludných proudů,

–          provést křižování s elektrizovanou železnicí v kolmém směru,

–          omezit počet křížení s dalšími úložnými konstrukcemi.

Obr. 2. Přehled možných opatření k eliminaci negativního působení bludných proudů

1.1 Vliv bludných proudů na kovové konstrukce a jednotlivá elektrická zařízení

Životnost např. ocelobetonových konstrukcí je limitována životností oceli a konstrukčních ocelových dílů. Totéž platí např. i pro základové zemniče. Nelze je obnovovat. Jsou totiž uloženy v betonu a zemní odpor je tedy v této části nahrazen odporem betonu. V základech budov je beton vždy natolik vlhký, že jeho odpor se od okolní zeminy podstatně neliší. Normovaná kvalita betonu s příslušným vhodným plnivem je dobrou ochranou proti vlastní korozi. Armování a kovové části nesmějí nikde z betonu vystupovat. Kritickými oblastmi jsou stavební a dilatační spáry. Ani beton však nechrání před elektrochemickou korozí, která vzniká při průchodu stejnosměrného proudu zemnicím systémem. Beton se chová jako elektrolyt, je vodičem druhé třídy, vyznačujícím se iontovou vodivostí. Přenos energie je spojen s přenosem hmoty, který zprostředkovávají kladné a záporné ionty. Při proudu 1 mA dojde za rok k erozi 9,1 g materiálu, tj. asi 1,2 cm³. Kdyby k narušování povrchu došlo pouze v rozloze 1 dm³, činil by úběr materiálu do hloubky 0,12 mm [3].

2. Charakteristika problému

Problematika vzniku bludných proudů u elektrických zařízení je téma velice rozsáhlé, neboť zasahuje do několika vědních oborů. Pro pochopení tohoto tématu je proto velmi důležité, zjistit a specifikovat nejdůležitější parametry pro vznik koroze a bludných proudů obecně. Ze zjištěných skutečností bylo možné stanovit harmonogram navazujících událostí, vyplývajících z poskytnutých podkladů:

1 – 24. 11. 2003 došlo ke zprovoznění koridoru,

2 – 28. 11. 2006 bylo vydáno povolení k provozování vlečky,

3 – v roce 2006 došlo v obci k výbuchu plynu ůsledku koroze potrubí na přívodu plynu,

4 – v září 2007 dochází k poškození:

–          topení ve třech rodinných domech,

–          poškození vnitřního rozvodu vody v rodinných domech,

5 – v roce 2007 požádala obec ČD o změření úrovně bludných proudů,

6 – v únoru 2008 bylo urgováno provedení měření ze strany obce,

–          do 31. 3. 2008 byla zmapována korozní situace,

–          do 15. 4. 2008 byly zpracovány návrhy na opatření,

–          dne 23. 4. 2008 došlo nakonec k jednání obou stran,

7 – v roce 2008 byly zpracovány protokoly o měření,

8 – následně v roce 2009 bylo měření úrovně bludných proudů opakováno po provedení opatření,

9 – v dubnu 2009 byla zpracována analýza, ve které se uvádí, že obec zastupuje vlastníky celkem 75 domů, z nichž 11 bylo silně poškozeno.

Šlo tedy o poměrně rozsáhlý, aktuální problém, který postihl řadu obyvatel v obci. Pro upřesnění doby působení bludných proudů bylo nutné určit alespoň orientačně dobu eroze.

2.1 Určení doby eroze materiálu v obci

Zemina není hmotou kompaktní, nýbrž značně porézní, která má ve svých pórech vodu, jiné korozní látky, jako soli, apod. Položením kovového předmětu do země se poruší určitá chemická rovnováha prostředí. Elektrochemické účinky nastávají v místech kovového vodiče, kde proud jím procházející přechází do prostředí, které je elektrolytem. Elektrický proud prochází hlavně místem nejmenšího elektrického odporu, a proto nedochází k většímu místnímu naleptání (porušení) kovových předmětů uložených v zemi. Všechny elektrické, galvanické, a chemické pochody probíhají jen při dostatečné vlhkosti.

Ve vlhké atmosféře, nebo při větších výkyvech teploty během dne může na chladnějším povrchu kovu kondenzovat vodní pára a následně vzniká slabá vrstvička elektrolytu o tloušťce 5 až 100 μm. Elektrochemická koroze je v podstatě oxidačně redukční chemickou reakcí, vznikající na základě rozdílu dvou nebo více kovů, které nejsou od sebe dokonale elektricky izolovány.

Elektrochemickou odolnost kovů, která znamená přechod do oxidovaného stavu a uvolňování elektronů, určují tzv. standardní potenciály kovů. Platí, že čím je potenciál kladnější, tím je kov odolnější proti korozi a čím je zápornější, tím snáze podléhá oxidaci.

Vzhledem k tomu, že kromě dvou vzorků trubek na obr.3a a poškozené vany (obr. 3b) nebyl k dispozici již žádný jiný studijní materiál, bylo pro přibližné stanovení doby působení bludných proudů použito poškozených trubek.

  
Obr. 3. a) Příklad poškozeného potrubí z obce, b) Příklad poškozené vany

Eliptické otvory byly pro zjednodušení nahrazeny otvory kruhovými v nejnepříznivějším případě o rozměrech d₁ = 29 mm a d₂= 25 mm. Jednotlivé objemy činily V₁ = 0,00165 dm³ a V₂ = 0,001205 dm³. Uvažujeme-li měrnou hmotnost železa z [49] 7,876 kgdm^-3, pak hmotnostní úbytek m₁ činil 0,0130 kg a hmotnostní úbytek m₂ byl roven 0,00 95kg.

1) Uvažujeme-li velikost bludných proudů v souladu s [3] rovnou 1 mA, potom za jeden rok dojde k úbytku 9,1 g materiálu. Pro 365 dnů v roce pak:

–          k poškození Fe trubky dojde za 13,9/9,1 = 1,43 roku, tj. 522 dnů,

–          k poškození nerezové trubky dojde za 9,5/9,1 = 1,04 roku, tj. 380 dnů.

2) Uvažujeme-li velikost bludných proudů v souladu s [23] rovnou 1,0 A, potom za jeden rok dojde k úbytku 6,0 kg materiálu. Pro 365 dnů v roce pak:

–          za jeden den dojde k úbytku 6000/365 = 16,4 g den^-1,

–          k poškození Fe trubky dojde za 13,0/16,4 = 0,8 dne,

–          k poškození nerezové trubky dojde za 9,5/16,4 = 0,6 dne.

Úbytek materiálu je závislý na velikosti procházejícího proudu a degradace kovového materiálu může být i velice rychlá.

2.2 Popis dodávky elektrické energie do místa spotřeby a provozní stav elektrických zařízení

Obec je napájena z okružního vedení 22 kV přes distribuční transformátor 22 kV/400 V. Z tohoto transformátoru je rovněž napájeno i technologické zařízení již zmiňované firmy. Celkové schéma zapojení rozvodu el. energie zahrnovalo distribuční transformátor a připojení nákladové vlečky.

  
Obr. 4. Okružní napájecí vedení 22 kV, Obr. 5. Výhybka č. 12

2.3 Specifikace rozvodu a popis jeho jednotlivých částí

Železniční koridor i vlečka jsou elektrifikovány. Trolej na vlečce končí asi 50 m za výhybkou. Konkrétně za výhybkou č. 12 v 6. koleji žst (obr. 5). Délka kolejí vlečky činí 644 m.

Pro umožnění nakládky a posunu železničních vagónů bylo na vlečce vybudováno tažné zařízení poháněné elektromotorem, obr. 6, obr. 7. Technologické zařízení pro posun železničních vagónů firmy se skládá ze zařízení na elektromechanickou přeměnu energie, silového rozvodu, ovládacích, signalizačních, spínacích a jisticích prvků s různou napěťovou a proudovou soustavou. V Technické zprávě je uvedeno, že ochranné pospojování je nutno provést podle ČSN 33 2000-4-41 vodivým pospojováním kovových částí pomocí pásu FeZn 30/4 mm, respektive vodičem CYA.

  
Obr. 6. Poháněcí motor (1) s převodovkou (2) tažného zařízení, Obr. 7. Hydraulické napínání tažného lana; patrné je provedení pospojování kovových částí ochranným vodičem (1)

2.4 Příčiny poškození kovových konstrukcí a podstata tohoto poškození

Každé elektrické zařízení (a nejen to) je provozováno v určitém prostředí. Proto je vyvíjena snaha o řešení koexistence zejména elektrických zařízení a jejich okolí. Předpisové řešení těchto problémů vychází z rozboru zdrojů ohrožení, jejich definování a stanovení příslušných způsobu ochrany před nimi.

To vše je zakomponováno i v našich předpisech a ve státních technických normách ČSN 34 0070, přes ČSN 33 0300 až po ČSN 33 2000-3. Již v normě ČSN 33 0300 se začal rozlišovat i směr působení vlivů, a to z okolí na např. elektrické zařízení (tzv. prostředí aktivní) a z elektrického zařízení na okolí (tzv. prostředí pasivní) – obr. 8.

Obr. 8. Členění prostředí z hlediska dřívější ČSN 33 0300

Značení, třídění a rozdělení prostředí podle vnějších vlivů se provádí dvěma písmeny velké abecedy a číslici. První písmeno označuje tzv. „všeobecnou kategorii vnějších vlivů“. Podle normy jsou tři kategorie:

A = prostředí

B = využití

C = konstrukce budovy

Význam těchto kategorii je následující:

Prostředí – vlastnosti okolí (prostoru nebo jeho části), vytvořené okolím samotným nebo předměty, zařízeními, atd. v prostoru umístěnými. Sledují se tyto vnější činitelé: teplota okolí, vlhkost, nadmořská výška, přítomnost vodní masy, výskyt cizích pevných těles, výskyt korozních nebo znečišťujících látek, mechanického namáhání, výskyt flory, výskyt fauny, přítomnost elektromagnetických, elektrostatických a ionizujících působení, sluneční záření, seismické účinky, četnost výskytu bouřek a pohyb vzduchu.

Využití – uplatnění objektů nebo jejich částí, vlastnostmi osob vycházejících z jejich duševních a pohybových schopností, stupně jejich elektrotechnických znalostí, elektrického odporu lidského těla, četnost osob v prostoru a možnost jejich úniku, vlastnostmi zpracovávaných látek.

Konstrukce budovy – souhrn vlastností budovy vyplývajících z povahy užitého konstrukčního a dekorativního materiálu, provedení budovy a její fixace na okolí.

V mezinárodním označení však tato kategorie slouží pouze k rozlišení směru vzájemného škodlivého působení. A to buď působení okolí na elektrické zařízení (A), nebo opačně, elektrického zařízení na okolí (B). Připomíná to staré dělení na prostředí aktivní (okolí působí na elektrické zařízení – A) a prostředí pasivní (elektrické zařízení působí na okolí – B). Sdružené, směrově nerozlišitelné působení objektu jako celku na elektrické zařízení i naopak, vystihuje písmeno C. Objekt totiž může svým materiálem a provedením přivodit škodlivé působení oběma směry. Význam prvního písmene v mezinárodním označení ilustruje obr. 9.

Druhé písmeno v mezinárodním označení pak v normě představuje „povahu“ vnějšího vlivu, určuje konkrétní druh nepříznivě působícího vlivu. Těchto druhů je samozřejmě celá řada. Tabulka přidělení povah vlivů, jednotlivým kategoriím vlivů – číslice na třetím místě mezinárodního označení je v normě označena jako „třída“ vlivu a slouží kbližšímu upřesnění daného vlivu. Nejčastěji vyjadřuje sílu nebo rozsahy působení každého vlivu.

Obr. 9. Význam prvního písmene v novém označení prostředí

2.4.1 Korozní procesy

Po opravě, případně při uvedení do provozu se na konstrukci objeví symptomy koroze. Jde o nevratné poškození konstrukce, mnohdy i v důsledku působení různých faktorů, z nichž jedním je i koroze.

Koroze je samovolně a postupně probíhající děj, který vede k nežádoucímu a škodlivému rozrušování tuhých látek chemickými a elektrochemickými účinky okolního prostředí. Téměř všechny kovy jsou termodynamicky nestabilní. Stabilní jsou jen jejich kysličníky a nebo sirníky. Koroze postupuje od povrchu dovnitř látky [2].

2.4.2 Přehled druhů a jednotlivých tvarů korozních napadení

Dominantní vliv určitých faktorů při různých podmínkách interakce kovu s pH středním se projevuje nejen různou rychlostí koroze, ale i rozdílnými druhy korozního napadení.

Závadnost jednotlivých druhů napadení je v podstatě závislá na funkčním určení předmětů. Určité napadení, které u některých předmětů je bezvýznamné, může u jiných způsobit jejich neupotřebitelnost. Proto nelze dostatečně dobře porovnávat význam jednotlivých druhů napadení. Druhy korozního napadení jsou rozlišovány podle intenzity a charakteru pronikání prostředí do kovu a porušování jeho struktury.

Rozlišuje se napadení: rovnoměrné, nerovnoměrné a skvrnité, důlkové a bodové, nitkové, povrchové, selektivní, mezikrystalové, transkrystalové a extrakční a dále se rozlišují korozní trhliny a lomy.

Rovnoměrné napadení
Při styku s korozním prostředím začíná probíhat korozní děj nejprve na zvláště aktivních místech. Aktivita těchto míst je určena korozními podmínkami, přičemž počet míst na povrchu kovu je závislý na reaktivitě kovu a prostředí za daných podmínek. Při velké vzájemné reaktivitě obou složek systému a většinou při vzniku rozpustných korozních produktů, které dovolují dokonalý přístup prostředí k povrchu, je počet aktivních míst značný, takže povrch kovu je rovnoměrně napadán. Po odstranění jednoho místa s povrchu se objevuje jiné, takže při střídání aktivních a neaktivních míst dochází k rovnoměrnému napadení. Tak jsou napadány kovy za podmínek, kdy dostatečná koncentrace iontů H⁺ nebo OH⁺ podmiňuje vznik rozpustných korozních produktů a v prostředí je přítomno tolik aktivujících iontů, že jsou schopny porušovat přirozené kysličníkové vrstvy na mnoha místech.

Nerovnoměrné a skvrnité napadení
Při nižší reaktivitě systému je počet aktivních míst mnohem menší. Koroze opět začíná v korozních centrech. Jsou-li tato místa s povrchu odstraněna a koroze je na této části povrchu zpomalena, ať již z důvodu nižší aktivity kovu, nebo zmenšení aktivity prostředí pro ztížení difůze vrstvou korozních zplodin, rozšiřuje se napadení do stran. Tak vznikají mělké skvrny, které nezasahují do větší hloubky kovu.

Rozdílné vlastnosti kovu, složení prostředí, složení korozních zplodin, různá rychlost transportu složek prostředí i zplodin v různých částech povrchu vyvolává nerovnoměrné napadení.

Důlkové a bodové napadení
Místní zvýšení aktivity kovového povrchu nebo korozních zplodin se projevují bodovým nebo důlkovým napadením. Jimi je sice zasažena jen malá část povrchu, avšak napadení proniká do značné hloubky kovu.

Na důlkové či bodové napadení lze usuzovat na základě průběhu a příčin korozního napadení. Hloubka důlkového napadení je obvykle menší než největší průměr důlku, zatímco u bodového napadení je podstatně hlubší než jeho průměr.

Pro vznik důlkového korozního napadení jsou významné strukturní nestejnorodost povrchu kovu nebo jeho ochranných vrstev, vlastnosti korozního prostředí a při dalším průběhu ještě vlastnosti korozních produktů nad důlky.

Nitkové napadení
Napadení, které vzniká pod ochrannými, ponejvíce organickými povlaky, zejména snímacími laky a které neproniká do hloubky kovu a sleduje jeho povrch, se svým charakteristickým tvarem nazývá korozní napadení nitkové. Jeho příčinou je proniknutí korozního prostředí ke kovu ojedinělým pórem v povlaku. Křivolaký směr, kterým napadení postupuje, nasvědčuje tomu, že jsou napadána místa s nejmenší přilnavostí.

Nitky korozních produktů narůstají do šíře i v závislosti na čase, takže po určité době předchází napadení na nerovnoměrné.

Podpovrchové napadení
Při podpovrchovém napadení, metalograficky zjistitelném na kolmém řezu povrchu, bývá porušení vnitřku kovu rozsáhlejší než porušení jeho povrchu.

Korozní napadení tvaru G začíná na povrchu v místech nejmenší korozní odolnosti a rozšiřuje se teprve pod povrchem za vzniku prostorné dutiny. Tvar napadení G je charakterizován tvorbou puchýřků uvnitř kovu. Stěna puchýřků umístěných blízko povrchu kovu může prokorodovat a dutina se vyplňuje korozním prostředím.

Selektivní napadení
Slitiny s dvou a vícefázovou strukturou korodují v některém prostředí tím způsobem že korozní napadení se soustřeďuje jen na jednu fázi. Jestliže korodující fáze tvoří takovou část struktury, že umožňuje i jen mechanické odstraňování zbývajících fází, vzniká obvykle rovnoměrné korozní napadení.

Koroze hranic zrn, označována jako mezikrystalové napadení, je v podstatě napadení selektivní.

U kovů s jednofázovou strukturou může vzniknout selektivní korozní napadení v místech mechanického porušení povrchu s oblastmi plasticky deformovaných zrn. Plasticky deformovaná zrna mohou mít buď původní tvar jen se zřejmými skluzovými rovinami, nebo silně změněný protáhlý tvar.

Rychlejší korozí hranic zrn vzniká napadení mezikrystalové, pronikající do hloubky korodovaného kovu. V některých případech se může korozní pronikání po hranicích zrn v určité nevelké hloubce zastavit při současné korozi širšího pásma podél hran zrn.

Zastavení korozního napadení hranic zrn má dvě příčiny. Původní rozdíl mezi korozí odolností hranice a plochy zrna nemusí být příliš velký, takže změny prostředí v úzké štěrbině mezi zrny mohou poměr jejich korozní odolnosti změnit natolik, že v dalším období koroduje povrch zrna. Rozdíl mezi korozní odolností hranice a plochy zrna může být také omezen jen na hranice zrn na povrchu a těsně pod povrchem.

Mezikrystalové napadení
Podstatně rychlejší korozí hranic zrn než korozí vlastního zrna vzniká mezikrystalové napadení doprovázené zhoršením mechanických vlastností kovů. Přesto, že toto napadení je zjistitelné na základě změn mechanických vlastností (rezonanční frekvence, elektrického odporu, objevením prasklin, apod.), zůstává nejrozšířenější a jedinou přímou metodou metalografické hodnocení.

Příčiny mezikrystalového napadení jsou sice podle charakteru jednotlivých slitin i korozních prostředí, ale přesto mohou být shrnuty do několika základních skupin:

1) Precipitát vznikající na hranicích zrn podél hranic zrn, tvořící pásmo tuhého roztoku, chudší oproti původnímu tuhému roztoku o chemickou složku způsobující korozní odolnost.

2) Vznikající precipitát má značné vnitřní pnutí a je příčinou vnitřního pnutí i svého nejbližšího okolí.

3) Spojitě vyloučená fáze na hranicích zrn má nižší korozní odolnost než samotná zrna.

4) Spojitě nebo i nespojitě vyloučená fáze na hranicích zrn má vyšší korozní odolnost než samotná zrna.

5) Hranice zrn homogenních tuhých roztoků jsou prosty cizích fází, ale stavbou strukturní mřížky se liší od stavby vnitřku zrna v závislosti na krystalografické orientaci stýkajících se zrn.

Substrukturní změny krystalografické mřížky a možnost předností precipitátu nové fáze na hranicích zrn kovů, způsobují větší aktivitu těchto míst a tím náchylnost k mezikrystalovému koroznímu napadení. Čím větší budou rozdíly mezi korozní odolností plochy a hranicí zrna, tím větší je možnost mezikrystalového napadení v daném korozním prostředí.

Transkrystalové napadení
Podobně jako podstatně rychlejší korozí na hranicích zrn vzniká mezikrystalové napadení, může korozí vznikat síť značně rozvětvených trhlinek procházejících zrny, tj. transkrystalové korozní napadení.

Takovému tvaru napadení je nejpodobnější síť trhlinek vznikajících korozí mosazi v parách amoniaku nebo korozí nerezavějících austenitických ocelí vlivem chloridů. Doposud však nedovedeme vysvětlit důvody transkrystalového průběhu trhlin působením samotného korozního prostředí na homogenní tuhý roztok.

Transkrystalové korozní napadení je určeno přítomností velmi četných trhlinek, vznikajících převážně vlivem vnitřního pnutí a agresivního korozního prostředí. Tím se liší od korozních lomů a trhlin stranskrystalovým průběhem, které se vyskytují vmístech koncentrace napětí, způsobeného vnějšími mechanickými silami.

Extrakční napadení
Dosud popsané druhy korozního napadení byly způsobeny korozí, při níž byly zastoupeny vkorozních produktech všechny chemické složky slitiny zhruba ve stejném poměru, vjakém se vyskytují ve slitině. Vněkterých případech však může korodovat převážně jen jedna chemická složka slitiny. Vmístě napadení se tím mění strukturní mřížka homogenních tuhých roztoků. Toto napadení se označuje jako extrakční a je charakterizováno vznikem koncentračního spádu chemické složky extrahované slitiny vmístě koroze.

(pokračování)