Экологически безопасная эксплуатация стального моста – роль окраски в оценке жизненного цикла

Значение защитных покрытий в предотвращении разрушения стальных конструкций сложно оценить количественно, однако исследование, проведенное в США при поддержке Международной ассоциации инженеров-коррозионистов (NACE) и Федерального управления шоссейных дорог США, показало, что прямые годовые затраты на коррозию в США составили 276 млрд. долларов, что было эквивалентно примерно 3,1% национального ВВП на тот момент, демонстрируя важность предотвращения коррозии во всем мире.

Исходя из этого и других подобных исследований, экономические выгоды от реализации долгосрочной стратегии по предотвращению коррозии вполне очевидны, но в последние годы появились другие аспекты, которые усиливают необходимость в высоконадежных и эффективных системах защиты стальных конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред.

Главным из этих аспектов является растущий спрос на сооружения, будь то здания, мосты, суда, автомобили или любой другой вид конструкции, необходимо свести к минимуму негативное воздействие на окружающую среду, в которой они находятся или эксплуатируются.

Это требование применимо ко всем этапам жизни конструкции: от производства строительных материалов до проектирования и возведения конструкции, ее технического обслуживания на протяжении всего срока службы, и, в конечном счете, демонтажа и утилизации по окончании срока эксплуатации.

Защитные покрытия вносят свой вклад в воздействие искусственных стальных конструкций на окружающую среду различными способами.

Прежде всего, следует учитывать процесс изготовления покрытия и процесс его нанесения при расчете общего воздействия конструкции на окружающую среду на момент ввода в эксплуатацию. Однако со временем этот первоначальный вклад компенсируется, поскольку благодаря защитным свойствам покрытий снижается распространение и степень коррозии, что позволяет реже выполнять техническое обслуживание.

Производители покрытий уже давно утверждают, что увеличенные интервалы между циклами технического обслуживания, которые возможны благодаря применению высококачественных, высокостойких систем покрытий, будут существенно превышать первоначальное влияние конструкции на окружающую среду, если принимать в расчет преимущества от использования покрытий за весь их срок службы.

В данной статье рассматривается исследование, которое позволит проверить это утверждение путем количественной оценки влияния систем покрытий разной стойкости (а, следовательно, и с различными требованиями к техническому обслуживанию) на окружающую среду на примере стального моста за все время его эксплуатации.

Однако прежде, чем рассмотреть результаты, необходимо изучить некоторую общую информацию о долговечности и анализе жизненного цикла.

ДАННЫЕ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ИЗ ПРОГРАММЫ ECO-FOOTPRINT TOOL

Программа Eco-footprint Tool предназначена для получения данных о воздействии на окружающую среду на всех этапах производства, включая хранение готовой лакокрасочной продукции, то есть данных LCA с начального момента и до момента отгрузки с завода-изготовителя, и предоставляет результаты в виде степени воздействия на килограмм произведенной жидкой краски. Примеры требуемых исходных данных и выходных расчетных коэффициентов приведены на рисунке 1 и в таблице 1.

Рисунок 1. Исходные данные, используемые программой Eco-footprint Tool.

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ СТАЛЬНЫХ МОСТОВ

Программа Eco-footprint Tool выдает данные LCA для покрытий «в банке», когда они покидают территорию завода-изготовителя, но не предоставляет никакой информации о долгосрочном влиянии продукции на экологическую безопасность конструкции, на которую она наносится.

В данном исследовании CEPE рассматривалось влияние нанесенных лакокрасочных систем на экологическую безопасность стального моста, а в частности влияние покрытий с разными техническими характеристиками и стойкостью на окружающую среду в течение срока службы конструкции.

ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ

Полная оценка жизненного цикла стального моста с покрытием включает в себя этапы, представленные в (таблице 2).

Транспортировка оказывает влияние на каждом из этапов 1 – 5 и на этапе 8, а также между всеми этапами до этапа 6. Влияние транспортировки и оборудования не входят в этап 7, связанный с работами по техническому обслуживанию. Обработка и утилизация отходов учитывается на всех этапах.

В рамках исследования защитных покрытий, в частности, была проведена оценка с точки зрения дорожного управления или местных органов власти, отвечающих за содержание объектов инфраструктуры, целью которых является строительство и содержание моста на загородной дороге, проходящей через автомагистраль и имеющей расчетный срок службы 100 лет.

Конструкция моста была основана на проекте традиционного стального и железобетонного двухбалочного моста.

ПАРАМЕТРЫ ПРОЕКТА

Три спецификации покрытий были включены в исследование, в котором количество и/или толщина отдельных слоев отличались между собой, что привело к соответствующим различиям в прогнозируемом сроке службы до и между циклами технического обслуживания (таблица 3).

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Для моста была подготовлена полная модель жизненного цикла, которая включала в себя определение исходных данных для четырех основных этапов жизненного цикла: поступление сырья, этап строительства, эксплуатация и техническое обслуживание, и, наконец, окончание срока службы и утилизация.

Основное внимание LCA было направлено на этап «Эксплуатации и технического обслуживания», поскольку именно на этом этапе эффективность систем покрытий требует особенно тщательного изучения.

Исходные данные и условия, используемые для всех четырех этапов жизненного цикла, были определены и оценивались в соответствии со следующими принципами.

1. Этап 1 – Сырье

Модель, применяемая для определения воздействия сырья при строительстве моста с покрытием, тип и количество стали, тип и количество бетона, количество асфальта, тип и количество краски.

Данные и сырье были максимально упрощены, таким образом, в модель были включены только основные компоненты.

Такие материалы, как соединительные элементы, подшипники, водонепронициамые мембраны и так далее, не учитывались в расчетах, поскольку были элементами транспортировки материалов, которые сложно оценить количественно.

2. Этап 2 – Строительство

Для расчетов этапа строительства были утверждены следующие параметры:

  • Тип дороги – автомагистраль, пересекающая проселочную дорогу;
  • Тип ограничения – закрытие дороги;
  • Общее время ограничения –168 часов;
  • Период ограничения – выходные дни, ночное время;
  • Длина измененного маршрута.

3. Этап 3 – Эксплуатация и техническое обслуживание

Как и на этапе строительства, для всех работ, связанных с окраской и техническим обслуживанием, в модель расчета были включены следующие условия:

  • Тип дороги (который будет оказывать влияние на интенсивность движения);
  • Характер ограничения;
  • Количество часов, необходимое для каждого этапа эксплуатации покрытий;
  • Время суток, на которое запланировано техническое обслуживание;
  • Длина измененного маршрута движения (в связи с закрытием), когда это является причиной ограничения движения.

Частота проведения ремонтной окраски за период более ста лет была рассчитана, исходя из периодичности технического обслуживания, приведенной в (таблице 3) для каждой лакокрасочной системы. В (таблице 4) приведены сводные данные.

4. Этап 4 – Окончание срока службы

Факторы воздействия на этапе окончания срока службы включают в себя количество стальной арматуры, бетона и асфальта, которое необходимо утилизировать.

Окончание срока службы определялось, в первую очередь, исходя из основного сырья и материалов, однако несколько критериев было исключено из расчетной модели.

Например:

  • Демонтаж, транспортировка и инвентаризация материалов;
  • Повторное использование материалов не учитывалось в расчетах, поэтому результаты были основаны только на утилизации;
  • Покрытия были исключены из расчетов окончания срока службы.

СЦЕНАРИИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Для исследования LCA были определены три различных сценария.

Сценарий 1 – полный жизненный цикл, включающий в себя строительство моста (в том числе поставка и нанесение покрытий) с техническим обслуживанием в течение срока службы 100 лет и утилизацией по окончании этого периода.

В расчетах также учитывалось ограничение дорожного движения в период проведения технического обслуживания.

Сценарий 2 – только техническое обслуживание моста, исключая данные о первоначальном строительстве и завершающей утилизации, однако учитывая влияние всех ограничений движения в период проведения технического обслуживания.

Сценарий 3 – только процессы, связанные с нанесением покрытий – оценка содержала только выбросы, связанные с нанесением покрытий, за весь срок службы конструкции.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Анализ оценки жизненного цикла выполнялся с использованием трех различных систем покрытий в трех сценариях жизненного цикла.

Значения рассчитывались для всех категорий воздействия, приведенных в таблице 3, а также учитывалась токсичность для человека, экологическая токсичность для наземной, пресноводной и морской среды, истощение абиотических ресурсов (ископаемые и элементы).

Результаты для всех категорий воздействия показали одинаковые тенденции, поэтому подробные оценки, представленные на рисунке 2, для углеродного выброса (в пересчете на потенциал глобального потепления), представляют собой типичные воздействия для всех остальных рассмотренных категорий.

Рисунок 2. Результаты GWP для полного жизненного цикла на протяжении 100-летнего срока службы моста.

Рисунок 3. Результаты GWP для технического обслуживания моста на протяжении 100-летнего срока службы.

Что касается общего вклада в углеродный след на протяжении всего срока службы моста, основной вклад вносит дорожное движение (главным образом, изменение маршрута во время строительства и технического обслуживания), на долю которого приходится около 70% от общего воздействия.

Исходные материалы моста без краски составляют 20-25%, а сами покрытия – всего 1% от общего углеродного следа. Общее воздействие на окружающую среду постепенно снижается благодаря использованию более стойких систем покрытий.

Система 3 оставила наименьший углеродный след для моста, в основном из-за более длительных интервалов между циклами технического обслуживания, которые были сопряжены с ограничением дорожного движения.

СЦЕНАРИЙ 2 – ТОЛЬКО ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ МОСТА

Оценка жизненного цикла включала в себя только воздействие первоначального процесса нанесения краски и последующих работ по техническому обслуживанию, в том числе ограничения дорожного движения всякий раз, когда для выполнения работ требовалось закрытие дороги.

Результаты отражают преимущества от снижения частоты перекрашивания моста и более длительных интервалов между циклами технического обслуживания при использовании системы покрытий с максимальной продолжительностью срока службы (система 3), оказывающей примерно на 40% меньше воздействия на окружающую среду (углеродный выброс), по сравнению с системой 1.

Эти преимущества напрямую связаны с сокращенным изменением маршрута дорожного движения, достигаемым благодаря использованию системы покрытий с увеличенной долговечностью.

Во всех случаях непосредственный вклад покрытий составляет приблизительно 2% от общего углеродного следа; это повторяется и для других категорий воздействия, за исключением их влияния на категории экологической токсичности, которое было немного выше, и истощения элементов (элементы ADP), где относительный вклад покрытий был доминирующим фактором.

Во всех случаях система покрытий 3 с повышенной долговечностью показала наименьшие значения воздействия на окружающую среду за весь 100-летний срок службы моста.

СЦЕНАРИЙ 3 – ТОЛЬКО ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С НАНЕСЕНИЕМ ПОКРЫТИЙ

Воздействие на окружающую среду от систем покрытий оценивалось для отдельных компонентов (слоев) каждой системы и при каждом техническом обслуживании. Результаты представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Результаты GWP для ремонтных покрытий моста, которые оценивались при каждом нанесении на протяжении 100-летнего срока службы моста.

Рисунок 5. Результаты оценки жизненного цикла, демонстрирующие вклад каждого слоя в общий потенциал глобального потепления моста на протяжении 100-летнего срока службы.

Видно, что при рассмотрении отдельного технического обслуживания система покрытий с большей толщиной (система 3) дает наибольший углеродный выброс, хотя с точки зрения общего срока службы это наиболее экологически безопасная система.

Более высокое воздействие этого покрытия в нулевой год компенсируется на протяжении полного срока службы моста пониженной частотой окрашивания.

Очевидно, что частота проведения технического обслуживания является основным фактором, определяющим воздействие краски на окружающую среду на протяжении полного жизненного цикла конструкции.

Если суммарные данные GWP разделить на вклад отдельных слоев (рисунок 5), видно, что, несмотря на большее количество нанесенных слоев и большую общую толщину покрытия, система покрытий 3 по-прежнему демонстрирует наилучшие результаты по сравнению с системами 1 и 2.

Что касается отдельных слоев, цинковая грунтовка вносит наибольший вклад в общий углеродный выброс систем 1 и 2, однако в системе 3 максимальный вклад вносит промежуточный слой из эпоксидной смолы, пигментированной железной слюдкой.

ВЫВОДЫ

Исходя из данных трех анализов оценки жизненного цикла, основными факторами, влияющими на экологические характеристики моста на протяжении его срока службы, являются количество покрытий, нанесенных за год, и количество дней закрытия дороги за год, как показано на (таблице 5).

Увеличенное количество слоев и дополнительное время, затраченное на нанесение покрытия на мост (и изменение маршрута движения), вполне компенсируется снижением частоты ремонтной окраски в более эффективных и экологически безопасных сценариях.

Таким образом, системы с наибольшим количеством слоев и более продолжительным сроком службы демонстрируют наилучшие экологические характеристики за весь срок эксплуатации моста.

Поэтому система покрытий 3 имеет оптимальный суммарный результат за весь 100-летний период.

Непосредственное воздействие самих покрытий оказалось незначительным по сравнению с полной программой строительства моста и необходимостью изменения маршрута дорожного движения на период строительства и технического обслуживания.

Фактически, основные различия между тремя системами покрытий можно объяснить, главным образом, изменениями в ограничениях дорожного движения во время проведения технического обслуживания.

В то время как общее воздействие на окружающую среду, связанное со строительством и техническим обслуживанием моста, будет зависеть от размера конструкции, т.е. длины и ширины моста, относительные тенденции, выявленные в ходе данного исследования, будут сохраняться и для других (подобных) лакокрасочных систем и циклов технического обслуживания.

Технический комитет сектора защитных покрытий Европейской конфедерации ассоциаций производителей типографской и художественной краски (CEPE).

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Защита покрытий сварных стыков морских и береговых трубопроводов
Защита покрытий сварных стыков морских и береговых трубопроводов
Сварные стыки образуются, когда две трубы свариваются вместе для строительства трубопровода. Область вокруг сварного шва…
Рикардо Филипе
10.08.2022
95
Использование неорганического композиционного покрытия для ремонта противокоррозионной защиты стальных конструкций*
Использование неорганического композиционного покрытия для ремонта противокоррозионной защиты стальных конструкций*
Разработанная паста в отличие от широко известных составов для удаления продуктов коррозии стали позволяет без…
Дёмин С.А., Виноградов С.С., д.т.н. Вдовин А.И
12.11.2020
389
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.1
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.1
В этой статье рассказывается о втором этапе программы масштабного ремонта труб, хранящихся в Северной Америке,…
Кит И.У. Колсон, Джеймс Фергюсон
17.11.2021
131
<strong>Защита от коррозии и база данных реестра утечек</strong>
Защита от коррозии и база данных реестра утечек
База данных реестра утечек — это список выявленных утечек, содержащий соответствующие данные об утечках.
Али Моршед
29.11.2022
44
Передовая технология цинкования продлевает срок службы металлических конструкций
Передовая технология цинкования продлевает срок службы металлических конструкций
Одной из самых серьезных проблем при "обновлении" старых горячеоцинкованных стальных конструкций опор линий электропередач является…
Рик Симпсон
17.01.2022
161
Случай с растрескавшейся краской на стальном грузовом контейнере
Случай с растрескавшейся краской на стальном грузовом контейнере
Эксплуатационные характеристики покрытия, при которых достигается желаемый срок службы, предполагают сочетание ряда параметров, и все…
Умаир Ниаз Бухари
16.03.2022
282
Технология обнаружения коррозии, которая может помочь предотвратить утечки
Технология обнаружения коррозии, которая может помочь предотвратить утечки
Мы разработали технологию, которая позволяет постоянно контролировать состояние труб, что, как мы надеемся, в первую…
30.11.2022
41
Поддержание сохранности отслуживших сооружений – краткосрочные решения вопросов нанесения покрытий
Поддержание сохранности отслуживших сооружений – краткосрочные решения вопросов нанесения покрытий
Существует множество отслуживших объектов, особенно у компании N Sea, которые, скорее всего, в ближайшее время…
Саймон Хоуп
17.03.2021
299
Цементирующие покрытия для ремонта и защиты бетона
Цементирующие покрытия для ремонта и защиты бетона
Разрушение бетона происходит повсеместно и может серьезно отразиться на долговечности железобетонных конструкций. Основное химическое воздействие…
Грэм Джеймс, Крис Ллойд
31.08.2021
246