Dobór stali nierdzewnych do zastosowań konstrukcyjnych – stale austenityczne i duplex

20-12-2017

Prawidłowy dobór stali nierdzewnej do określonego zastosowania powinien uwzględniać:

warunki eksploatacji (środowiskowe, klimatyczne, konstrukcyjne),

Do zastosowań zewnętrznych środowisko eksploatacji rozpatruje się pod względem: poziomu wilgotności (np. opad deszczu, mgła, preferencyjne powstawanie wilgoci na elementach), narażenie na duże oblewanie przez deszcz (lub stopień ochrony przed opadem), stężenie cząstek w powietrzu, rozprzestrzenianie soli (np. okolice przybrzeżne, skaliste wybrzeża, drogi o dużym nasileniu ruchu), strefa rozpryskiwania lub zanurzenia w wodzie (zawierającej sól) itp.

Oprócz narażenia na działanie substancji korozyjnych, należy uwzględnić parametry eksploatacyjne, klimatyczne i konstrukcyjne, które mogą wpływać na żywotność konstrukcji. W zastosowaniach przemysłowych, żrące związki chemiczne i ich stężenia, gromadzenie się osadu powierzchniowego, kwasowość mogą wpływać na przyspieszenie korozji. W tym etapie rozpatruje się także specyfikę samej konstrukcji pod względem efektów narażenia na korozję. Elementy konstrukcji powinny ułatwiać naturalne zmywanie, nie tworzyć miejsc preferencyjnej stagnacji medium, a występujące szczeliny powinny być zabezpieczone przed gromadzeniem się w nich zanieczyszczeń i wody.

wykończenie powierzchni,

Wykończenie powierzchni jest równie istotne jak wybór samego składu chemicznego stali nierdzewnej. Wykończenie gładkie o niskiej chropowatości (np. polerowane na lustro) zwiększy odporność korozyjną, natomiast wykończenie chropowate (szlifowane grubym ziarnem) będzie przyspieszać osiadanie na powierzchni zanieczyszczeń i tym samym zjawiska korozji.

okresową konserwację,

Czyszczenie stali nierdzewnej, nawet naturalne zmywanie przez deszcz elementów, może utrzymać lub poprawić początkowy wygląd i pomóc w przedłużeniu żywotności konstrukcji. Elementy architektoniczne osłonięte od deszczu są bardziej narażone na korozję, wymagają one również okresowego czyszczenia.

technologie wytwarzania (np. gięcie, zastosowanie spawania).

Zastosowywane technologie przetwarzania mogą mieć istotny wpływ na zachowanie stanu pasywnego powierzchni stali nierdzewnej. W każdym przypadku po przetwarzaniu należy przywrócić odporność korozyjną stali do stanu pierwotnego przez odpowiednie czyszczenie, mechaniczną i chemiczną obróbkę powierzchni.

Normy projektowe Eurokod dla stali nierdzewnych przewidują dobór gatunków tylko w zależności od środowiska eksploatacji. Opracowano nową, przedstawioną poniżej procedurę doboru stali (austenitycznych i duplex), która zostanie wprowadzona do normy PN-EN 1993-1-4 przy jej kolejnej aktualizacji. Procedura w pełniejszy sposób analizuje istotne dla stali nierdzewnej parametry środowiska, stan chropowatości powierzchni, wymogi konserwacji powierzchni. Procedura jest przeznaczona dla elementów nośnych ze stali nierdzewnych, ale z powodzeniem można ja stosować dla innych elementów przy spełnieniu następujących kryteriów: środowisko pracy o obojętnym charakterze (pH 4-10), elementy nie są bezpośrednio wystawione na na działenie procesu chemicznego, elementy nie są trwale lub cyklicznie zanurzone w wodzie morskiej. Dobór materiału według przedstawionych zasad nie uwzględnia stosowania metod spawania/łączenia, dodatkowych wymagań dla wykończenia powierzchni i stopnia dostępności samych wyrobów ze stali nierdzewnych. Pomimo tego bardzo dobrze będzie sprawdzać się w większości przypadków zastosowań architektonicznych, budowlanych i konstrukcyjnych.

Procedura doboru gatunku stali nierdzewnych obejmuje:

1). Wyznaczenie Współczynnika Odporności Korozyjnej (CRF) środowiska (tab. 1);

Wartość współczynnika CRF powstaje przez zsumowanie kolejnych parametrów F1, F2, F3 opisujących narażenie na chlorki, dwutlenek siarki i wymogi okresowego czyszczenia konstrukcji (CRF = F1 + F2 + F3).

Tablica 1. Wyznaczenie współczynnika odporności korozyjnej CRF

F1 - Ryzyko narażenia na działanie chlorków ze słonej wody lub soli odladzających
M to odległość od morza, a S odległość od drogi, gdzie stosowana jest sól odladzająca.
1	Kontrolowane środowisko wewnętrzne budynków
0	Niskie ryzyko oddziaływania	M > 10 km lub S > 0,1 km
-3	Średnie ryzyko oddziaływania	1 km < M ≤ 10 km lub 0,01 km < S ≤ 0,1 km
-7	Wysokie ryzyko oddziaływania	0,25 km< M ≤ 1 km lub S ≤ 0,01 km
-10	Bardzo wysokie ryzyko oddziaływania	Tunele drogowe, gdzie stosuje się sól odladzającą lub gdzie pojazdy mogą przewozić sól odladzającą przez tunele
-10	Bardzo wysokie ryzyko oddziaływania	M ≤ 0,25 km
		Wybrzeżu Morza Północnego Niemiec i wszystkie obszary nabrzeżne Bałtyku
-15	Bardzo wysokie ryzyko oddziaływania	M ≤ 0,25 km
		Linii brzegowa Atlantyku w Portugalii, Hiszpanii i Francji. Kanał L Mancha i linia brzegowa Morza Północnego Wielkiej Brytanii, Francji, Belgii, Holandii i Południowej Szwecji. Wszystkie inne obszary przybrzeżne w Wielkiej Brytanii, Norwegii, Danii i Irlandii. Wybrzeże śródziemnomorskie.
F2 - Ryzyko narażenia na dwutlenek siarki
UWAGA: W europejskich środowiskach przybrzeżnych stężenie dwutlenku siarki jest zwykle małe. W środowisku śródlądowym stężenie dwutlenku siarki jest niskie lub średnie. Obszary o wysokiej zawartości dwutlenku siarki są zwykle związane z obszarami silnie uprzemysłowionymi lub specyficznym środowiskiem takim jak tunele drogowe. Stężenie dwutlenku siarki może być wyznaczone zgodnie z metodą podaną w normie ISO 9225.
0	Niskie ryzyko oddziaływania	< 10 µg/m³ średnie stężenie
-5	Średnie ryzyko oddziaływania	10 - 90 µg/m³ średnie stężenie
-10	Wysokie ryzyko oddziaływania	90 - 250 µg/m³ średnie stężenie
F3 - Okresowe czyszczenie lub naturalne zmywanie przez deszcz (jeżeli F1 + F2 ≥ 0 to F3 = 0)
0	Całkowicie wystawione na zmywanie przez deszcz
-2	Określone wymogi okresowego czyszczenia
-7	Brak zmywania przez deszcz lub brak wymogów okresowego czyszczenia
Jeśli element ma być regularnie sprawdzany pod kątem obecności jakichkolwiek oznak korozji i czyszczenia, to wymogi te powinno być dokładnie sprecyzowane w formie pisemnej. Należy określić metodę kontroli, czyszczenia i jej częstotliwość. Im częstsze czyszczenie, tym większe korzyści. Częstotliwość nie powinna być mniejsza niż co 3 miesiące. Sprecyzowane wymogi czyszczenia powinny dotyczyć wszystkich części konstrukcji, a nie tylko tych łatwo dostępnych i widocznych.

Wartość współczynnika F1 dla aplikacji w pobliżu linii brzegowej zależy od konkretnej lokalizacji w Europie i wynika z doświadczeń z istniejącymi już obiektami. Duża różnorodność środowisk w Europie oznacza, że w niektórych przypadkach obliczona wartość współczynnika CRF będzie konserwatywna. Załączniki krajowe normy EN 1993-1-4 mogą określać czy można wybrać łagodniejszy współczynnik CRF, gdy jest to poparte przez walidację danych z lokalnych doświadczeń eksploatacyjnych lub badań. Brytyjski załącznik krajowy zezwala na stosowanie łagodniejszego współczynnika CRF, gdy lokalne doświadczenia eksploatacyjne trwające, co najmniej 5 lat wykazują przydatność gatunku w sąsiedniej niższej klasie odporności korozyjnej CRC. Jednak maksymalnie dopuszczalne podwyższenie współczynnika CRF wynosi +5. Dane dotyczące wyników powinny być uzyskane z lokalizacji położonej w odległości mniejszej niż 5 km od proponowanej lokalizacji, a na terenie nadbrzeżnym nie więcej niż 1 km. Analiza wyników powinna uwzględniać gatunek stali, jakość wykończenia powierzchni, orientację elementów i narażenie na zanieczyszczenia z powietrzu (w szczególności chlorki), aby zapewnić, że są one porównywalne z proponowanym projektem.

2). Wyznaczenie Klasy Odporności Korozyjnej (CRC) na podstawie (tab. 2).

W tablicy 2 zestawiono wyniki analizy współczynnika odporności korozyjnej środowiska CRF z daną klasą odporności korozyjnej CRC. W tablicy 3 podano gatunki stali w każdej klasie CRC. Wybór konkretnego gatunku w ramach klasy CRC oprócz odporności na korozję będzie zależeć od innych czynników, takich jak wytrzymałość i dostępność wymaganych produktów. Określenie materiału za pomocą klasy CRC i wytrzymałości projektowej, np. CRC II i umowna granica plastyczności Rp0,2 = 450 MPa są wystarczające, aby umożliwić dostawcy ustalenie faktycznego gatunku stali w ramach klasy CRC.

Procedura dotyczy elementów narażonych na działanie środowisk zewnętrznych. Dla elementów konstrukcyjnych w kontrolowanych środowiskach wewnętrznych CRF wynosi 1.0. Do takich środowisk należą środowiska, które są klimatyzowane, ogrzewane lub zamknięte. Wielopoziomowe parkingi, stanowiska załadowcze lub inne konstrukcje z dużymi otworami powinny być traktowane jako środowiska zewnętrzne.

Tablica 2. Wyznaczanie klasy odpornosci korozyjnej CRC

Współczynnik odporności korozyjnej środowiska (CRF)	Klasa odporności korozyjnej (CRC)
CRF = 1	I
0 ≥ CRF > -7	II
-7 ≥ CRF > -15	III
-15 ≥ CRF ≥ -20	IV
CRF < -20	V

Tablica 3. Gatunki stali nierdzewnych w każdej klasie odporności korozyjnej CRC

Klasa odporności korozyjnej CRC
I	II	III	IV	V
1.4003	1.4301	1.4401	1.4439	1.4565
1.4016	1.4307	1.4404	1.4462	1.4529
1.4512	1.4311	1.4435	1.4539	1.4547
	1.4541	1.4571		1.4410
	1.4318	1.4429		1.4501
	1.4306	1.4432		1.4507
	1.4567	1.4162
	1.4482	1.4662
		1.4362
		1.4062
		1.4578
Uwaga: Klasy odporności korozyjnej CRC są przeznaczone wyłącznie do stosowania w tej procedurze doboru stali i obowiązują tylko do zastosowań konstrukcyjnych; W klasie wskazanej przez współczynnik CRF można zastosować gatunek z wyższej klasy CRC.

Kryte baseny stanowią szczególny przypadek środowiska eksploatacji. Dla ograniczenia ryzyka związanego z korozją naprężeniową (zwłaszcza gatunków stali austenitycznych) w atmosferze krytych pływalni, na elementy nośne konstrukcji należy stosować gatunki podane w tablicy 4. Załącznik krajowy normy może określić, czy dozwolone jest rzadsze czyszczenie.

Tablica 4. Gatunki stali dla środowiska wewnątrz krytych basenów

Elementy nośne w atmosferze basenów	Klasa odporności korozyjnej CRC
Elementy nośne, które są regularnie czyszczone1	CRC III lub CRC IV (z wyłączeniem 1.4162, 1.4662, 1.4362, 1.4062)
Elementy nośne, które nie są regularnie czyszczone	CRC V (z wyłączeniem 1.4410, 1.4501 i 1.4507)
Wszystkie mocowania, elementy złączne i części gwintowane	CRC V (z wyłączeniem 1.4410, 1.4501 i 1.4507)
Uwaga: Jeśli element ma być regularnie sprawdzany pod kątem obecności jakichkolwiek oznak korozji i czyszczenia, powinno być to dokładnie sprecyzowane w formie pisemnej. Należy określić metodę kontroli, czyszczenia i jej częstotliwość. Im częstsze czyszczenie, tym niższe ryzyko wystąpienia korozji. Częstotliwość nie powinna być mniejsza niż raz w tygodniu. Sprecyzowane wymogi czyszczenia powinny dotyczyć wszystkich części konstrukcji, a nie tylko elementów łatwo dostępnych i widocznych.

Literatura:

[1]. Podręcznik projektowania konstrukcji ze stali nierdzewnych, red. Aleksander Kozłowski, wyd. 4, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2017