Защита от коррозии металлоконструкций тоннельных сооружений

Канд. техн. наук А. П. ЛАВРОВ, инженеры З. Ф. ПЕРШИНКОВА, Н. К. АЗИЗОВ
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТОННЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Рассмотрены причины коррозионного поражения чугунной обделки метрополитенов, приведены результаты лабораторных исследований по способу защиты их от коррозии. Даны рекомендации по созданию надежной противокоррозионной защиты чугунной обделки на длительный срок службы.

Металлоконструкции, эксплуатируемые в тоннелях метрополитенов, в условиях повышенной влажности и наличия агрессивной воздушной или водной среды подвергаются интенсивному коррозионному поражению. Особенно значительному коррозионному воздействию подвержены чугунные тюбинги, трубопроводы, броня электрокабеля, кронштейны в тоннелях Бакинского метрополитена. Скорость коррозии тюбингов с внутренней стороны составляет 0,3—0,5 мм/год. Подобное состояние металла обусловлено следующими факторами: высокой агрессивностью воздушной и водной среды (высокой концентрацией хлоридов, сульфатов, нитратов и других химических соединений) ; низкой коррозионной стойкостью чугуна марки СЧ-21-40; отсутствием противокоррозионной защиты металлоконструкций.
Опыт проведения работ по противокоррозионной защите металлоконструкций, эксплуатируемых в шахтах и тоннелях метрополитенов, показывает, что в условиях повышенной влажности, а также при длительном воздействии на металл агрессивных сред необходимо применение защитных покрытий повышенной стойкости и проведение качественной подготовки поверхности перед ее нанесением.
Очистить металл от продуктов коррозии обычным способом в тоннелях весьма затруднительно, при этом практически невозможно полностью удалить ржавчину с металлоконструкций (особенно с чугунной тюбинговой обделки). Поэтому выбрано два способа подготовки поверхности. Первый - обработка ржавой поверхности модификаторами ржавчины. Обрабатываемые поверхности предварительно очищают от отслаивающейся ржавчины, солевых отложений и других видов загрязнений. Оставшийся слой ржавчины толщиной 100 мкм, имеющий хорошее сцепление с основным металлом, обрабатывают модификаторами ржавчины марок ЭВА-013ЖТ или ЭΒΑ-0112.
При втором способе защитное покрытие непосредственно наносят на ржавую поверхность, очищенную от отслаивающихся продуктов коррозии. Защитный материал имеет высокое сцепление с поверхностью металла за счет компонентов, входящих в его состав.
В качестве защитного материала при химическом способе подготовки поверхности рекомендована битумная высоковязкая мастика БПМ-1 (ТУ 6-10-882-72). Всесторонние лабораторные исследования мастики БПМ-1 показали, что этот материал обладает высокими физико-механическими, защитными и технологическими свойствами. Испытания этой мастики проводили по следующим показателям: адгезии (сцеплению) к металлической поверхности с различной степенью подготовки, прочности покрытия на отрыв от металла, водопоглощению и влагопроницаемости покрытий, защитным свойствам покрытия в условиях повышенной влажности. В качестве сравнения использована мастика 579, которая широко используется на транспорте. Прочность покрытия из мастик БПМ-1 и 579 на отрыв от подготовленной металлической поверхности приведена в таблице.

Предел прочности на отрыв, кг/см (числитель), и адгезия, гс/см (знаменатель), покрытий из мастик

Испытания проводили на крестообразных образцах из чугуна марки СЧ 2140 при толщине покрытия около 1 мм. Предел прочности покрытия на отрыв мастики БПМ-1 выше, чем у мастики 579. Наиболее высокие показатели у покрытий, нанесенных на поверхности со степенью подготовки 2 (ГОСТ 9.025-80) и обработанных модификаторами ржавчины.
При испытании образцов с покрытием, нанесенным на ржавую поверхность, показатель прочности материалов значительно ниже, чем у аналогичных образцов с более высокой степенью подготовки. Отмечено, что разрушение образцов с покрытиями, нанесенными по ржавой поверхности, во всех случаях происходило за счет полного отслаивания покрытия от металлической поверхности (см. таблицу).
Испытания проводили на специальном приборе методом отрыва покрытия от металлической подложки. Установлено, что наиболее устойчивые адгезионные свойства имели покрытия из мастик 579 и БПМ-1, нанесенные на поверхность металла без окислов и ржавчины. Адгезионные свойства оказались менее устойчивые у образцов с покрытиями, нанесенными по модификатору ржавчины.
Из результатов испытаний образцов с новыми защитными покрытиями видно, что показатели их адгезии оказались ниже, чем у покрытий из мастик 579 и БПМ-1, однако не наблюдалось и резкого снижения адгезии при всех видах подготовки поверхности металла, за исключением некоторого снижения этого показателя при нанесении покрытия на преобразованную ржавую поверхность.
Осмотр поверхности образцов после испытания показал, что формирующееся покрытие на дробеструйной и ржавой поверхности заполняет все неровности, поры, углубления и после отрыва от поверхности на ней остается значительная часть нанесенного материала. Это указывает на высокую пропитывающую способность нового материала, а относительно невысокое значение показателя адгезии связано со свойствами самого материала. В частности, отсутствие в его составе армирующей основы — хризотилового асбеста — снижает прочностные показатели покрытия, однако это не ухудшает его защитные и технологические свойства. Наличие в составе новой композиции пластичных добавок способствует формированию эластичного покрытия с высокими гидроизоляционными свойствами.
Показатель адгезии материала, нанесенного на преобразованную ржавую поверхность, невысокий, так как эффект от пропитывания поверхности защитным материалом был наименьший. Металл, обработанный модификатором ржавчины, имеет практически гладкую поверхность.

Рис. 1. Кривые водопоглощения (а) и влагопроницаемости (б) мастичных покрытий: 1 - битумная композиция; 2 - мастика БПМ-1; 3 - мастика 579

Важными показателями защитных свойств покрывного материала является их водопоглощение и влагопроницаемость. На рис. 1,а представлены результаты испытания материалов на водопоглощение в течение 300 сут. Если в первые 60 сут. испытания водопоглощение у покрытий не превышало 4 %, то к концу испытаний наиболее высокий показатель оказался у мастики 579 (22,5 %), у мастики БПМ-1 склонность к водопоглощению оказалась в 2 раза ниже, чем у мастики 579 (водопоглощение 10 %). Показатель по водопоглощению у новой защитной композиции после 300 сут. испытания значительно ниже, чем у мастик 579 и БПМ-1, и составил всего 3 %.
Результаты испытания материалов на влагопроницаемость показали, что наименьшую склонность к проникновению влаги через пленку имели образцы из мастики БПМ-1 и новой композиции, а наиболее высокая влагопроницаемость - у пленок из мастики 579 (рис. 1,б).
Комплекс лабораторных испытаний образцов из мастики БПМ-1 и новой композиции на атмосферостойкость, включающий электрохимические и емкостноомические исследования, а также натурные испытания в тоннелях Бакинского метрополитена в течение 3 лет, не выявил признаков появления очагов коррозии на поверхности металла под защитным покрытием. Мастика БПМ-1 и новая композиция на битумной основе рекомендованы в качестве основной противокоррозионной защиты в тоннелях метрополитенов. Кроме того, разработаны требования к подготовке металлических поверхностей перед нанесением защитных покрытий, которые включены в отраслевой стандарт на защиту от коррозии металлоконструкций сооружений метрополитенов.
При проведении противокоррозионных работ в тоннелях Бакинского метрополитена используют два технологических варианта. Первый заключается в том, что металлические конструкции предварительно очищают от отслаивающихся продуктов коррозии и затем оставшийся слой ржавчины толщиной 100 мкм, плотно сцепленной с основным металлом, обрабатывают модификаторами ржавчины ЭВА-013ЖТ или ЭВА-0112; после выдержки в течение 24 ч на поверхность наносят слой покрытия из мастики БПМ-1. Расход мастики 0,8—1,0 кг/м². После высыхания покрытия через 24 ч на поверхности чугунной обделки образуется сплошное ровное покрытие: толщина в нижней части обделки — до 1 мм (2 м от путевого полотна), в верхней части — от 0,6 до 0,8 мм.
Второй вариант состоит в том, что после предварительной очистки металла от отслаивающейся ржавчины непосредственно наносят защитное покрытие из битумной композиции (0,6-0,7 мм). Время высыхания покрытия составляет 80 ч. Расход материала — около 1,5 кг/м². 

Рис. 2. Схема установки УНМ-1 для нанесения мастик:
1 — насос; 2 — направляющий цилиндр; 3 — подъемник; 4 — плита насоса; 5 — шпилька; 6 — воздухораспределитель; 7 — шланги для мастики; 8 — штуцер воздушной системы; 9 — пульт управления; 10 — распылитель РВМ-1; 11 —  шланги подачи воздуха

После высыхания покрытия образуется однородная сплошная эластичная пленка с удовлетворительной адгезией к ржавой металлической поверхности.
Защитные материалы наносят с помощью механизированной установки УНМ-1. Мастики наносят установкой без предварительного подогрева и разведения растворителями. На Бакинском метрополитене организована специальная бригада для проведения работ по защите от коррозии тоннельных сооружений. Для выполнения указанных работ на подвижной платформе смонтировано все необходимое технологическое оборудование и размещены емкости с защитными материалами.
Порядок проведения работ заключается в следующем: сначала все оборудование (установка УНМ-1, компрессор, шланги, осветительное оборудование) проверяют в наземных условиях, уточняют рабочую вязкость защитных материалов по вискозиметру и комплектуют необходимое количество растворителя (уайт-спирита) для промывки оборудования после окончания работ.
Перед началом работ в тоннеле на соответствующих участках, где наносят защитное покрытие, включают приточно-вытяжную вентиляцию. Вентиляция должна быть включена и после окончания противокоррозионных работ. Перед нанесением защитного покрытия внутреннюю поверхность чугунной обделки (предварительно очищенную от пластовой ржавчины) обдувают сжатым воздухом.
Механизированная установка УНМ-1 (рис. 2) работает от сети сжатого воздуха с максимальным давлением 0,5 мПа. Распыление материалов может производиться одновременно из двух пистолетов-распылителей. При нанесении материалов на чугунную обделку одновременно защищается от коррозии и другое оборудование — кронштейны, броня кабеля, трубопроводы.
Применение рекомендованных материалов, согласованных в установленном порядке с Главсанупром МПС и ЦК профсоюза работников железнодорожного транспорта и транспортного строительства, позволяет создать надежную противокоррозионную защиту металлоконструкций в эксплуатируемых тоннелях на длительный период времени.